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1、第卷第期增刊自然科学进展年月高温合金中微量元素对晶界的作用李玉清陈国胜张家福刘锦岩大冶特殊钢股份有限公司技术中心,黄石摘要直接在晶粒表面上通过晶界析出行为和析出相的成分特征等研究了微量元素对晶界的作用提出溶质原子的原子错配度概念,解释了微量元素的晶界偏聚效应,和相互作用机制阐述了微量元素促使晶界相球化和退化的机理用原子错配度概念综述了所研究高温合金中错配度大的微量元素原子可阻碍错配度小的溶质原子向晶界偏聚,并倾向于将后者从晶界点阵或间隙驱逐到晶内点阵或间隙或晶界相中,同时研究了后者对前者的反作用关键词高温合金微量元素原子错配度晶界效应
2、最近,有关高温合金的很多工作都集中在微量元素等溶质原子对晶界的作用上如研究了,「‘〕,,合金中碳和硼向晶界偏聚碳在孪晶界上的富聚发现硼偏聚在晶界而错则否观察到合金中硼和少量碳偏聚到锯齿晶界,而错则否“〕在。合金固溶,,和时效的冷却过程中发现钥向晶界的非平衡偏聚随硼含量的增高而增强但铬的晶界偏聚不依赖于硼含量,℃时效时引起钥和铬向晶界偏聚,直到蛛,开始析出味碳、、,硼磷等晶界偏聚元素可进人铬的碳化物中使晶界得以净化〕合金随着硫含量的增高由穿,晶断裂逐渐变为晶间断裂加人适量镁可控制硫含量高时所引起的塑性降低但过量镁对热塑性不利“〕在合金晶
3、界上检测到钥和磷等微量元素的偏聚,发现晶界,,‘颗粒可导致塑性断裂且可存人大量硫〕沿合金晶界发展的丫的有序度决定其对晶界的保护作用“」合金中妮的晶界富聚使晶界被丫包覆偏聚到晶界的妮和氢、氧反应加〔”,剧疲劳裂纹的生长妮的晶界偏聚对蠕变裂纹的生长起重要作用推测晶界脆性氧化〔‘。以及晶界膜的出现可能导致高温合金长期工作妮薄膜的形成降低了裂纹的扩展阻力时脆性断裂,川等等尽管国内外工作者关于微量元素的偏聚和与之相关的晶界析出相对晶界作用的研究已经获得内容丰富的成果,但由于通常采用的实验方法存在一定局限性,在解释这些实验现象时,尚,缺乏统一的理
4、论模型,因而关于高温合金中微量元素的作用机制还需进一步探讨“”,、我们采用晶界萃取碳复型技术在多种高温合金中获得了对晶界起主要作用的同微量元素偏聚相关的晶界析出相的明晰图像特别是对晶界上经常出现、而用其他实验方法不易观察到的细而薄和极薄的大尺寸析出相的表观特征、晶体结构和缺陷及化学组成等,此法能准确、全面揭示,因而可直接在晶粒表面上有效研究同微量元素偏聚相关的晶界析出行为、微量元素,和与之相关的晶界相对晶界的作用机制本文是我们这方面系列工作的综述并从这些工作的一一收稿,一一收修改稿自然科学进展第卷,提出,研究结果了原子错配度概念由此进
5、一步从理论上论述和从实验上研究了微量元素替代,式和间隙式原子的晶界效应及其相互作用还从同晶界析出相观察研究结果一致的持久寿命,较好地说明等宏观力学性能和证实了微量元素对晶界的作用机制溶质原子的原子错配度及其晶界效应溶质原子的原子错配度和晶界偏聚,,,同晶内点阵相比晶界及其附近原子排列比较混乱点阵畸变较大即存在与晶内溶剂点阵中,原子座位或间隙尺寸不同的空隙忽略溶质原子电子分布等性质的影响晶内溶质原子尺寸通常同所占据的原子座位或间隙尺寸不相匹配如果晶内溶剂原子和替代式溶质原子的直径分、,。,,别为和溶剂点阵间隙尺寸的最小直径为间隙原子直径
6、为可定义它们在晶内点阵中所产生的原子错配度为一一仙下万,占鲡一」‘因此,当鲡或礼尝时,溶质原子将向晶界偏聚,并在晶界上找到适合其尺寸的空隙,降低其位能和晶界能由,甚至同一晶界的不同区域,晶界及其附近溶剂原子排列的杂乱程度或点阵于不同晶界畸,,,变会有所不同从而供安置偏聚原子的空隙尺寸也将存在差异因此溶质原子特别是数量极微的溶质原子,在不同晶界上,甚至在同一晶界的不同区域,其偏聚程度及其所产生的效应可‘“〕能存在显著差别晶内溶质原子在溶剂点阵中产生的错配度愈大,它们向晶界偏聚的倾向就愈强,其在晶界的浓度就愈高对于引起高度畸变的溶质原子,
7、即使其晶内浓度极小,占耐或礼很大而言也可能产生强烈的晶界偏聚,引起极显著的效应和重要的实际后果本文所涉及的微量元素钙、镁、错等替代式原子或硫、硼等间隙式原子,其尺寸比奥氏体点阵上的铁、镍的原子尺寸或其点阵的八,因此它们必将引起显著的晶界效应〔’一‘“面体间隙大得多溶质原子在晶界上的相互作用,“”,,如果两种溶质原子的错配符号相反它们在晶内可能互相对消使其综合错配效应减小,一种从而降低其向晶界偏聚的倾向如果两种原子的错配符号相同比另一种的错配度大鲡,则前者比后者向晶界偏聚的程度更大,并倾向将后者从晶界’或礼礼点阵或点阵间隙中驱逐出去,或
8、者对‘一‘后者向晶界的偏聚产生阻碍作用错配度大的溶质原子可能以两种方式将其它溶质原子从晶界驱逐到晶内点阵或驱逐到晶界析出相中〔’一’“〕替,代式溶质原子对其它替代式溶质原子的不同驱逐方式可能同偏聚到晶界的间隙原子的数量及
