奥氏体钢中沿着不规则应力腐蚀裂纹路径的晶粒边界特征的研究

1、奥氏体钢中沿着不规则应力腐蚀裂纹路径的晶粒边界特征的研究摘要：奥氏体不锈钢合金（austenitic stainless alloys）试样用扫描和透射电子显微镜（scanning and transmission electron microscopy）观察。用电子背散色衍射测量取向差。用特别强调（special emphasis）沿着不规则应力腐蚀裂纹和止裂纹点（at crack arrest points）的晶粒边界特征分析晶粒边界分布。人们认同（It was established that）仅仅共格孪晶（coherent twin）3边界可以被认为是关于裂纹阻力（crack resi

2、stance）的特别孪晶。然而，用任意晶粒边界的孪晶相互作用可以阻止裂纹增值这是可能的（it is possible that）。这结果表明除几何因素外的其他因素在商业合金的不规则应力腐蚀裂纹中起到了重要的作用。1. 前言奥氏体不锈钢普遍用于结构材料由于他们好的机械性能和高的腐蚀阻力的结合。虽然那些合金有极好的性能记录（an excellent service record），许多受环境诱导了不规则的断裂由于不合适的制造处理(improper fabrication treatments)或者暴露在化学溶液中（exposure to aggressive solution chemistrie

3、s）。晶粒边界特征在断裂过程中起到了重要的作用由于在各种边界之间结构和合成的组成不同（resultant compositional differences）。所以，在给定材料中晶粒边界整体的统计特征以及沿着裂纹路径的特别界面的检测可能对理解现象学和环境裂纹增长机制有帮助。自从Watanable用公式表示了晶粒边界工程的目的（the aim of grain boundary engineering）作为努力增加内在晶界抗裂性的比例，研究者努力在真的多晶材料（polycrystalline materials）中识别这样的晶界。在相同点的晶格（CSL）模型框架中，通常，假定用相同点（coinc

4、ident sites）的倒易密度（reciprocal density）的小值（关于相同任意的上限）描述特别晶粒晶界。然而，考虑到相同点的晶格理论纯几何性质这种假设是带有疑问的。一些研究者认为相同点阵相关晶界的增长比例应该促进材料抵抗不规则断裂（参看最近出版的文献2）。仅仅一些研究已经报道了在断裂路径中涉及晶界类型统计了大量的试验数据。报道在面心材料中断裂晶界直接测量的多晶参数的这些研究在下一段中做了简短的回顾。进行在Ni-16Cr-9Fe合金中不规则应力腐蚀裂纹的研究试验表明低角度（15 °）晶界不发生断裂。相同点阵晶界不全部避免断裂，虽然它们一般比任意晶界更易阻止断裂

5、。晶界分数在文献3中没有详细说明，但是通常在这种材料中（in the materials of this class）相同点阵晶界的大多数是孪晶，3晶界。这样（As such），观察到的对相同点阵晶界的断裂优先（superior）阻力是最可能的（was most likely）由于3晶界。在另一个Ni基合金（X-750）中应力腐蚀断裂路径的晶界的多晶特征被Pan等表示。在任何情况下3晶界发现断裂（In no case was a 3 boundary found to crack倒装句），但是低的晶界在裂纹路径中呈现出。讨论这些结果，作者认为如果晶界面也被考虑和/或接近理想相同点阵旋转的不同规

6、范被采用，那些晶界的大部分可以不是特别的。基于在Ni3Al中研究断裂晶界在空气中在室温或在加压隔离室中变形，Lin和Pope计算了仅仅低角度和对称孪晶，3晶界是牢固的，然而全部另外的GBs，它们独立的值是薄弱的。研究者们认为低晶界作为一组，除了1和3，都和一般晶界一样倾向于裂纹抑制和增加（The authors found that low- boundaries as group, except for 1 and 3, were as prone to both crack initiation and propagation as were general boundaries.）。尽管

7、在这种材料中我们感兴趣的全部晶界统计相对性地进行了全面的研究（参见文献2，4），在裂纹路径中对晶界特征缺乏直接的试验数据。存在的数据受限且需要进一步的研究。目前工作的主要目标是在不锈钢中沿着应力腐蚀裂纹路径分析晶界类型为了填充在这领域中假设模型和可靠试验结果之间存在的空隙。这个焦点不仅仅在晶界统计上，也在其他沿着裂纹路径的个别位置的检查上。2. 试验对Ni基（600合金）和Fe基（304或316钢）奥氏体不锈钢不同试样进行研究。在复杂的高温水环境和应力状态下出现应力腐蚀裂纹。合金600试样在模型-煮应力腐蚀断裂测试（试样1）或者在服役中出现断裂（试样2和3）从蒸汽发生管移除。试样材料1在研磨退

8、火条件下和在330压水堆主水中测试。在这试样中晶界表现出与基体相似的组成和仅仅一些绝缘的Cr7C3碳化物。组成物的外形穿过晶界表现出没有重大的改进或合金化处理消耗或非纯元素。600合金试样2和3在应力中被解除和激活条件。这热处理产生了高密度的不规则的Cr7C3碳化物和Ni23C6硼化物带有一个约50nm宽耗尽Cr的区域。在碳化物之间的区域测量的界面Cr水平约为4%。在一个一次通过蒸汽发生器中服役的期间在上面的自由跨度区域发生二次断裂。304和316材料也在一个高温水环境相似与PWR蒸汽产生器中经历了IGSCC。然而，温度较低（304钢180和316钢250），磷酸钠（sodium phosph

9、ate）被加入为控制PH值和亚磷酸钠（sodium sulfite）用于脱氧作用（de-oxygenation）拿316钢为例。304试样在激活条件（不规则的M23C7碳化物和Cr消耗降低到约为10%）下和316试样被碾磨处理（改进Mo到约为10%和Cr到约为20%在晶界没有不规则的二次相）。值得注意的是在相同试样中不规则的隔离和沉淀随边界到边界变化。然而，由于限定的数据量，关于晶界多晶参数没有相关性建立，除了没有隔离和沉淀被观察到在连贯的3孪晶界。先于扫描电镜(SEM)下观察研究，试样被机械地抛光然后用离子研磨粉（ion milling）在5kV下腐蚀5分钟以去除损坏的表面层。这裂纹被保护在

10、切和抛光试样之前真空注入一种低力粘度热固性树脂（a low-vis-cosity thermosetting resin）。用一个安装在TexSEM 试验定向成像显微镜学（OIM）体系的JEOL JSM-840 SEM 进行电子背散射衍射决定晶界多晶参数。TSL软件用来收集和引用衍射类型。这体系软件用它们的相对长度给出了晶界的分布。用它们频繁发生的EBSD数据去表征晶界的分布进一步用一种专门开发的电脑程序被分析。到这结尾，作为揭示了微观结构的个别晶界的错向被计算。全部晶界的错向在OIM扫描中表现出被没有选择地研究，可能影响数据的统计正确性。所以，在这研究中晶界统计用它们频繁的发生及不同类型的晶

11、界相对长度分布表征了晶界分布。两种类型的分布对不同的性能可能很重要；然而，发生的密度对晶界连贯性（connectivity）和晶界网络的浸透（percolation）性能是首要重要的，这在裂纹增值中被认为起到主要的作用。裂纹边界的多晶参数也被分别分析。随着在界面研究中建立的实践，晶界用这近似布兰登规范=15°-1/2根据CSL方法进行分类。对每个材料仅仅一个横截面试样进行研究。这事实，在那些去除服役的试样中沿着复杂的加载条件，不可能定量的决定个别晶界是如何取向外加应力的。然而，定性的估计穿过横截面的断裂路径。去扩展EBSD SEM研究中的发现，沿着裂纹路径和近裂纹端选择位置也用JEO

12、L 2010F 透射电镜（TEM）观察。横截面薄膜用离子粉准备。TEM试样准备的技术细节和观察到处都可以见到。在这研究中裂纹腐蚀产品和晶界撞击600合金和不锈钢试样的高分辩率表征结果在单本出版物中被表述。3. 结果在大部分情况下，获得传统的SEM图片和把他们与OIM图比较确定在微观结构中的晶界和裂纹是必要的。在合金600试样2中区域观察的例子呈现在图1中。能看到晶界用OIM扫描能很好地观察到，然而窄裂纹在一般的SEM照片中能清晰地观察到。3.1. 晶界分布晶界多晶参数的概括统计量如表1和图2和3中所示。在全部的试样中，这总晶界量的分布是典型的热处理材料倾向于热处理孪晶（参见文献4,15,16）

13、。用大量的3晶界表征分布和一些分布提升了多孪晶变量的比例，例如9和27晶界。3晶界的相对长度超过了这种材料期望达到它们数量的频率。图4表明-晶界来自理想的CSL错向的相对偏差。它表明，然而超过3晶界的一半有相对的偏差少于0.2，它们CSL相关晶界的大部分有很多偏离了理想的晶界。那些数据与TEM结果相符合（are in accord with）。然而，在当前研究中测量的3晶界的偏差比文献16中的一般都大，因为用在SEM中的EBSD手段测量的错向比在通过菊池模式透射的精确度低。Fig.2. Grain boundary misorientation angle distributions. A r

14、andom distribution is shown by solid line superimposed onto each histogram. Large scatter on the histograms for cracked boundaries is due to relatively poor statistics.断裂晶界的统计不同于全部晶界的数量，首先由于明显地减少3晶界的频率。结果，断裂晶界错向参数(参见表1和图2和3)的分布变成接近一个任意的分布。如果3晶界被从全部晶界数量中分离出来（were factored out），断裂低-晶界的分数明显地不同于在一般数量中它们

15、发生的频数（如表1所示）。断裂晶界某种个别特征在下面的段落中进行更细地讨论。3.2. 止裂点（crack arrest point）洞察特定的晶界类型的断裂阻力可以通过检查沿SCC断裂路径的止裂点来获得。在600合金试样中两种这样的点被标记在图1d中。区域A在裂纹尖端（crack tip）附近(例如在给定的横截面上最深裂纹的增值点)，及区域A被示意在图5a中。在这个例子中，裂纹停止在一个孪晶和两个任意晶界的一个三结点处。其中一个任意晶界作为断裂的继续，即使它的踪迹喜好朝向与主裂纹增值的方向也没有断裂。在这个图中，作为这节的全部其他部分，这主应力轴是水平的（例如垂直于主裂纹增值方向）。在区域B中

16、，裂纹停止在一个27b晶界和三个3晶界的四结点处（图5b），和在左边再度出现一个晶粒（如图1所示）。在我们观察的全部试样中有几个试样中我们可以观察到裂缝干扰。因为填充树脂（impregnating resin）在裂纹尖端被发现，那是很明显的裂纹的分支出现在三维方向上。在这个特例中，27b晶界断裂，然而3晶界抵抗裂纹的增值（resist crack propagation）且裂纹用给定截面上下的分支绕开它们。断裂晶界偏离理想27b晶界测量的错向仅仅1°，这在用EBSD测量错向的精度之内。然而，一般我们不能过多强调断裂晶界具体错向偏差的幅度（例如文献5所示）。人们应该记住断裂开始以后，晶

17、粒之间的错向沿着裂纹晶界结合将有轻微地变化。图6表示的是在合金600试样中的裂纹和相关晶界网络。标记的区域表明了止裂点。区域C（如图6c所示）表示的是裂纹尖端。这裂纹在任意晶界的三处结合点处停止，但是其中的两个不利于朝向主裂纹增值方向。在裂纹干扰点D处（如图6d所示）任意两个晶界（标记为R1和R2）连接了两个裂纹分支，但是由于一些不知道的原因，那些晶界没有断裂即使在它们看似有利于空间取向。裂纹用给定横截面的上下分支绕开那些晶界。区域E（二次裂纹尖端）在图6e中表述，裂纹停止在两个任意晶界和一个9晶界的三结合点处。后者不利于取向主应力轴方向。任意晶界有利于取向，但也不断裂。值得注意的是作为研究试样中的大部分任意晶界，这晶界被宏观弯曲（were macroscopically curved）。因此，没有结晶面可以与这些晶界相关联。裂纹干扰位F有非常复杂的结构（如图6f所示）。裂纹的右侧分支停止在两个3晶界和两个任意晶界的四点结合处。任意晶界作为裂纹路径的继续，没有断裂。不利于取向外加应力，但也不是其他任意晶界在这四点结合处（quadruple intersection）沿着交叉点裂纹增值。左分支停止在三点结合处，