镍基高温合金GH536中温低塑性非平衡偏聚机理的理论和实验研究

摘要

中温低塑性现象存在于大部分金属与合金中，其断裂往往沿晶界发生，并有杂质偏聚到晶界上。晶界上杂质的偏聚是引起材料沿晶断裂的重要因为，因此，本论文将根据溶质非平衡偏聚的热力学、临界时间和恒温动力学特征，给出金属与合金中温低塑性的非平衡偏聚机理。实验研究GH536中温低塑性的发生机理，证实上述中温低塑性的非平衡偏聚机理。为此，本论文开展了以下三个方面的工作：
　　 第一，提出了溶质非平衡偏聚恒温动力学图示
　　 根据溶质非平衡偏聚热力学、临界时间以及动力学关系式，对经相同高温固溶处理，快冷后在不同低温时效相同时间的合金，进行溶质非平衡偏聚恒温动力学计算与图示，得到如下特征：经相同高温固溶，快冷后分别在不同低温恒温时效相同时间，必定在某一时效温度，存在溶质偏聚浓度的峰值，溶质在该时效温度对应的临界时间，必定最接近或者等于该时效时间。
　　 第二，给出了金属与合金中温低塑性的非平衡偏聚机理
　　 由于金属材料高温拉伸试验经历的热循环与溶质非平衡偏聚恒温动力学图示所描述的上述热循环相同，本文提出如下中温低塑性的非平衡偏聚机理：经高温固溶后快冷，在不同拉伸试验温度恒温相同时间的试样，必然在某一拉伸温度存在杂质非平衡偏聚浓度峰值和塑性极小值现象，杂质在该温度非平衡偏聚的临界时间，接近或者等于该恒温时间。当拉伸温度低于塑性极小值发生温度时，随着拉伸温度的降低，杂质偏聚的临界时间越来越长于该恒温时间，杂质非平衡偏聚浓度将减小，导致材料塑性升高；当拉伸温度高于塑性极小值发生温度时，随拉伸温度的升高，杂质偏聚的临界时间越来越短于该恒温时间，引起杂质非平衡偏聚浓度减小，同样导致材料塑性升高。
　　 第三，以GH536为研究实例首次实验证实了中温低塑性的非平衡偏聚机理
　　 本研究对工业用GH536(Hastelloy X)镍基高温合金1180℃固溶后水淬，在200至1000℃温度恒温20分钟，然后分别进行高温拉伸和俄歇能谱(AES)的晶界成分测量。实验发现，中温塑性极小值和晶界S偏聚浓度峰值均发生在500℃附近，并且500℃时效过程中偏聚浓度峰值大约出现在20分钟，最接近拉伸前恒温的时间。根据以上实验结果，首次证实镍基合金GH536中S具有非平衡偏聚特征。依据该特征，解释了GH536中温低塑性现象。因此，晶界S的非平衡偏聚是引起GH536中温低塑性的主要因为，证实了中温低塑性的非平衡偏聚机理。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 平衡偏聚理论

1.2.1 溶质平衡晶界偏聚热力学

1.2.2 平衡晶界偏聚动力学

1.3 热循环引起的非平衡晶界偏聚理论

1.3.1 非平衡晶界偏聚热力学

1.3.2 非平衡晶界偏聚动力学

1.3.3 非平衡共偏聚理论

1.4 回火脆性的研究现状

1.4.1 回火脆性的平衡偏聚理论

1.4.2 回火脆性的非平衡偏聚理论

1.5 金属与合金中温低塑性的研究进展

1.5.1 中温低塑性现象

1.5.2 中温低塑性的溶质晶界偏聚研究进展

1.6 论文研究的目标、内容和意义

第二章 溶质非平衡偏聚恒温动力学计算与图示特征

2.1 引言

2.2 Briant实验数据分析

2.2.1 Briant的实验结果

2.2.2 Briant实验的恒温动力学计算与图示

2.2.3 Briant实验结果的讨论

2.3 溶质非平衡偏聚恒温动力学计算和图示结果的普遍意义

2.3.1 图示特征的实验证实

2.3.2 图示特征的推论

2.4 中温低塑性的非平衡偏聚机理

2.4.1 机理的提出

2.4.2 中温低塑性实验现象的分析

2.5 晶间腐蚀脆性的非平衡偏聚机理及实验证实

2.5.1 Joshi的实验分析

2.5.2 Stickler实验分析

2.6 中温低塑性、晶间腐蚀脆性与回火脆性之间的关系

2.7 本章小结

第三章 GH536中温低塑性的实验研究

3.1 引言

3.2 实验材料

3.3 实验方法

3.3.1 晶界浓度的AES测量

3.3.2 电解充氢工艺过程

3.4 实验工艺

3.4.1 固溶处理工艺

3.4.2 高温拉伸实验工艺

3.4.3 AES分析试样热处理工艺

3.5 实验结果与分析

3.5.1 高温拉伸实验结果及分析

3.5.2 晶界S偏聚浓度测试结果及分析

3.5.3 GH536中温低塑性的非平衡偏聚机理

3.5.4 讨论

3.5.5 消除和改善GH536中温低塑性的技术手段

3.6 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢

附录 Ⅰ

附录 Ⅱ

附录 Ⅲ

附录 Ⅳ