塑性变形导致的非平衡晶界偏聚

摘要

晶界脆化问题一直是材料工作者关注的一个重要问题。晶界脆化的机理在于溶质原子在晶界偏聚,进而降低了晶界结合强度,从而发生晶界脆化现象。晶界偏聚可分为两种,分别为平衡晶界偏聚和非平衡晶界偏聚。平衡晶界偏聚是一种热力学平衡状态,是由晶界与晶内组织结构的不均匀性引起的。温度变化,应力,辐照等都会使得材料发生明显的非平衡晶界偏聚现象。但是高温塑性变形导致的非平衡晶界偏聚现象并未得到广泛的关注。
　　由于金属材料在高温下塑性好,能够达到软化的状态,因此,为了有利于加工,通常将钢锭加热到较高温度以上，再进行高温塑性加工。由于金属材料在高温塑性变形(如连铸连轧)过程中晶粒内部会产生大量的过饱和空位,它们与溶质原子的交互作用会引起溶质原子向晶界富集。而杂质原子(如P或Sn)的晶界偏聚会导致热轧坯或连铸坯横向裂纹的产生,使它们的冶金质量恶化。到目前为止,国内外对这种非平衡晶界偏聚的研究较少。为了深入研究高温塑性变形导致的非平衡晶界偏聚,本文开展了如下工作。
　　研究了无间隙原子钢(IF钢)中磷元素的平衡晶界偏聚和高温塑性变形导致非平衡晶界偏聚现象。在IF钢中,P元素的平衡偏聚自由能为44.65kJ/mol,且与温度无关。而IF钢中磷元素的非平衡晶界偏聚浓度与温度、应变量和应变速率有关。温度越低,磷元素的非平衡晶界偏聚现象越明显。在给定温度条件下,磷元素的晶界偏聚浓度随着应变量的增加而增加,最终达到一个稳定的数值。此外,在相同温度和应变量条件下,磷元素的晶界偏聚浓度随着应变速率的增加而增加。
　　详细分析了高温塑性变形过程中晶粒内部产生的过饱和空位,并在理论上探讨了过饱和空位和高密度位错对溶质原子扩散系数的影响。研究提出,塑性变形会导致晶内产生大量的空位,过饱和空位浓度随着应变量的增加而增加,最终趋于一个稳态的数值。同时,过饱和空位与位错都会促进溶质原子的扩散,当温度较高时,以过饱和空位的作用为主。基于复合体扩散机制及变形过程中产生的过饱和空位,建立了二元系合金中高温塑性变形导致的非平衡晶界偏聚动力学模型。利用该模型分析了温度,应变量和应变速率对P元素的非平衡晶界偏聚的影响。理论预测结果与实验结果相一致。
　　通过带场发射枪的扫描透射电子显微镜测量了1Cr0.5Mo钢在900℃以应变速率2.0×10-3s-1变形10％后试样的晶界化学成份,发现变形能够明显地促进 P和Mo的晶界偏聚。考虑不同的溶质原子在晶界处的位置竞争关系和形成溶质原子-空位复合体时的竞争关系,将二元系中高温塑性变形导致的非平衡晶界偏聚动力学模型推广应用于三元系合金中。并预测了变形过程中产生的P和Mo的非平衡晶界偏聚浓度,理论预测结果与实验结果相一致。
　　在高温塑性变形过程中,材料的硬度和杂质晶界偏聚浓度都会发生明显的变化,而这两种变化都会使材料发生脆化现象,分别称为硬化脆化(主要由应变强化引起)和非硬化脆化(主要由杂质原子的晶界偏聚引起)。本文分别讨论了晶界偏聚和硬度对添加0.037wt.%P的IF钢韧脆转变温度的影响。结果表明,当晶粒尺寸和硬度不变时,韧脆转变温度与P的晶界浓度成线性增长的关系。而当晶粒尺寸和P晶界浓度不变时,韧脆转变温度与硬度之间也成线性增长的关系,且P的晶界浓度变化时,只会影响该线性关系的截距,而不影响线性关系的斜率。因此当晶粒尺寸一定时,硬度和P晶界浓度同时影响IF钢的韧脆转变温度,且硬度和P晶界浓度对韧脆转变温度的影响是相互独立的。

目录

塑性变形导致的非平衡晶界偏聚

Plastic deformation induced non-equilibrium grain boundary segregation

摘 要

Abstract

目 录

Contents

物理量名称及符号表

第1章 绪 论

1.1论文的研究背景、目的及意义

1.2 钢铁材料的高温塑性加工概述

1.2.1 热轧

1.2.2 热矫直

1.2.3 热卷取

1.2.4 拉拔

1.2.5 连铸连轧

1.2.6 在高温塑性加工过程中出现的问题

1.3 钢在高温变形时的金属学现象

1.3.1 加工硬化

1.3.2 动态回复和动态再结晶

1.3.3 高温塑性变形过程中溶质原子的晶界偏聚现象

1.4 晶界偏聚理论

1.4.1 平衡晶界偏聚理论

1.4.2 非平衡晶界偏聚理论

1.5 磷晶界偏聚的研究现状

1.5.1 磷的平衡晶界偏聚研究现状

1.5.2 磷的非平衡晶界偏聚研究现状

1.5.3 磷对钢铁材料力学性能影响

1.6 国内外研究的不足之处

1.7 本文主要研究内容

第2章 二元系合金中高温塑性变形导致的非平衡晶界偏聚

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 材料的准备

2.2.2 金相分析

2.2.3 硬度测量

2.2.4 晶界浓度的测量

2.2.5 晶界浓度的定量分析

2.3 实验结果

2.3.1 平衡偏聚浓度

2.3.2 非平衡晶界浓度

2.4 理论模型

2.4.1 准热力学模型

2.4.2 动力学模型

2.4.3 变形过程中溶质原子的扩散模型

2.5 结果与分析

2.5.1 模型中各参数数值的确定

2.5.2 高温塑性变形过程中过饱和空位浓度

2.5.3 高温塑性变形过程中溶质原子的扩散

2.5.4 理论预测结果

2.5.5 部分参数的取值对预测的影响

2.6 本章小结

第3章 多元系合金中高温塑性变形导致的非平衡晶界偏聚

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 材料的准备

3.2.2 金相检验

3.2.3 晶界浓度的测量

3.3 实验结果及修正

3.4 理论模型

3.4.1 准热力学模型

3.4.2 动力学模型

3.5 分析与讨论

3.5.1 理论预测结果

3.5.2 溶质原子-空位结合能的对理论预测的影响

3.5.3 非平衡晶界偏聚对热塑性的影响

3.6 本章小结

第4章 磷晶界偏聚对无间隙原子钢韧脆转变温度的影响

4.1 引言

4.2 实验

4.3 晶界偏聚对韧脆转变温度的影响

4.4 硬度对韧脆转变温度的影响

4.5 磷晶界偏聚和硬度对韧脆转变温度的综合作用

4.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历