材料表面与界面-晶界偏析的作用

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1、晶界非平衡偏聚平衡偏聚：平衡偏聚现象是一种热力学平衡现象，当溶质原子与晶界之间有相互作用时，就会在晶界上产生溶质富集或贫化现象其主要特点是富集程度只取决于系统平衡参数，与材料经历的历史过程无关，因此随系统参数的变化可以完全重复或可逆(即消失与产生)。非平衡偏聚：非平衡偏聚是一种动力学过程也有人称为动态偏聚，是指由于各种外界因素如温度、应力、辐照等的变化引起某种溶质原子在晶界或相界的化学位不同，从而造成元素再分布的现象。硫在铁中生成低熔点的硫化物，并与基体形成熔点更低的共晶体，因为熔点低，这种共晶体常常汇集在晶界处

2、，形成富集。由于低熔点共晶体的存在，使钢材的高温性能和热加工工艺性能恶化。产生“热脆”。所以要尽量减少硫的含量。磷在钢中会引起冷脆性。也需要严格控制。非平衡偏聚的影响因素：空位、杂质原子、空位和杂质原子复合体元素特别是微量元素在晶界上的偏聚对工程材料的力学行为有着深刻的影响,多年来这一直是冶金工作者和材料科学工作者感兴趣的问题例如,引起沿晶脆断的原因有回火脆、蠕变空洞降、应力释放开裂和晶间应力腐蚀开裂例等,已经证实微量元素As,P,Sn和Sb在晶界上的偏聚对这些问题起作用,少量Se,Te,Ge和等元素对材料的力学

3、性能有害。也发现有些元素在晶界上的偏聚会给材料的力学性能带来有益的影响,如微量硼在晶界的偏聚可以提高钢的淬透性,提高耐热钢与合金高温强度和蠕变性能等因此研究元素在晶界上的偏聚有着重要的实际意义首先,淬火等温保持时,晶界会出现非平衡偏聚偏聚量随时间增加而从小到大,直至某个峰值峰值出现的早晚与等温温度有关达到峰值后,随时间延长偏聚可能消失,也可能转变成析出态。淬火等温时晶界上溶质反常偏聚量比连续冷却时少,两侧贫化区也不明显其次,随等温保持温度的升高,淬火与等温温差减少,晶界偏聚量峰值下降等温时预变形也会引起相似的偏聚

4、。淬透性：微量硼对低碳贝氏体钢过冷奥氏体转变的影响微量硼能抑制铁素体的形核，使“C”曲线右移，从而改变其基本形状，具有自己独特的“C”曲线；微量的硼能够明显地提高钢的淬硬性，随冷速的加大，硬度逐渐提高，组织由上贝氏体过渡到板条贝氏体，具有更好的强韧性协同作用。超低碳微合金钢中硼的偏聚用硼径轨显微照相技术研究了超低碳微合金从1150℃以5℃/s冷却到850℃过程中硼晶界偏聚的形成与发展过程，测基了不同温度时硼富集因子与贫化区宽度，分析了铜元素对硼晶界偏聚的影响。已有研究表明微合金钢冷却过程形成的硼晶界偏聚属于非平衡

5、偏聚。非平衡偏聚是基于过饱和空位与溶质原子形成复合体，复合体扩散到晶界后，空位消失在晶界，溶质原子就留在晶界附近，从而造成溶质原子在晶界的富集，这种偏聚是不稳定的，在一定条件下，偏聚到晶界的溶质原子会扩散回晶内(称为反偏聚或反向扩散)，从而使这种偏聚减小甚至溃失。贺信莱等研究表非平衡偏聚过程中偏聚到晶界的硼来自两侧的贫化区，富集因子的变化反映了晶界上硼浓度的变化，贫化区宽度的变化反映了复合体向晶界的扩散情况。