利用APT对RPV模拟钢中富Cu原子团簇析出的研究

提高了Cu含量的核反应堆压力容器（RPV）模拟钢经过880℃水淬和660℃调质处理,在370℃时效不同时间后,利用原子探针层析技术（APT）进行分析.结果表明:样品经过1150 h时效后,富Cu团簇正处于析出过程的形核阶段;经过3000和13200 h时效后析出了富Cu团簇,团簇的平均等效直径分别为1.5和2.4 nm,团簇中Cu的平均浓度分别为45%和55%（原子分数）,团簇的数量密度约为4.2×10²²m^-3;样品经过13200 h时效后,α-Fe基体中的Cu含量为（0.15±0.02）%,仍然高于Cu在α-Fe中平衡固溶度的理论计算值,说明这时富Cu团簇的析出过程还没有达到平衡.对渗碳体的分析结果表明,Ni,Si和P偏聚在渗碳体和α-Fe基体的相界面附近,Mn,Mo和S富集在渗碳体中;并没有观察到Cu在相界面上偏聚的现象.     

利用APT研究铁素体时效钢中富Cu相和碳化物的偏析行为

铁素体时效钢样品经过880℃水淬、660℃调质处理,然后400℃时效4000 h后,利用三维原子探针层析技术(APT)研究了时效钢中晶界和基体中富Cu析出相和碳化物的偏析行为。结果表明:分析区域中Mn、Ni、Mo、C和Cu元素更容易在晶界处偏聚,形成富Cu团簇和碳化物,晶界处的纳米富Cu相为短棒状,其尺寸大小约为6 nm,团簇中的Cu原子含量为40at%。基体中的纳米团簇近似为球状,其尺寸和团簇中的Cu原子的数量密度都比晶界处小。在晶界处析出的富Cu团簇在碳化物之间,形成一种"夹层结构"。此外,富Cu团簇内部有Mn和Ni原子的偏聚,促进富Cu相的析出。     

低碳低合金钢中纳米富Cu相的析出特征

低碳低合金钢样品经880℃加热0.5 h后水淬,再进行660℃保温10 h的调质处理,最后分别在370℃和400℃等温时效3000 h和2000 h后,利用高分辨透射电镜(HRTEM)、能谱仪(EDS)以及三维原子探针(3DAP)相结合的方法,分析低碳低合金钢中析出的纳米富Cu相的晶体结构和Cu、Mn、Ni原子分布特征。在HRTEM图像中观察到长轴约9.3 nm,短轴约6.1 nm的短棒状纳米富Cu相,其结构为正交9R结构且互为孪生关系,其中9R结构与α-Fe基体存在一定位向关系,即:(011)_(bcc)//(114)_(9R),[111]_(bcc)//[110]_(9R)。说明Cu早期析出时可能由bcc结构优先转变孪晶正交9R结构,而不是直接转变为fcc结构。利用3DAP技术可以看出,在富Cu原子团簇形核长大过程中,Mn、Ni原子会偏聚在Cu与α-Fe基体的界面处,造成这种现象,除了富Cu原子团簇在富Ni、富Mn区域形核且在长大过程不断向外排挤Mn、Ni原子外,Cu与α-Fe基体界面存在较高的共格畸变能也会造成Mn、Ni原子的偏聚,进而阻碍富Cu原子团簇的长大。     

富Cu团簇的析出对RPV模拟钢韧-脆转变温度的影响

将Cu含量高于实际核反应堆压力容器（RPV）钢的模拟钢在880℃水淬后,在660℃进行调质处理,然后在370℃时效不同时间,采用TEM,原子探针层析法（APT）和冲击实验对其进行研究.结果表明,时效1150 h后,富Cu团簇的析出仍处于形核阶段,对韧-脆转变温度（DBTT）没有明显的影响;时效3000 h后,试样中析出了平均尺寸为1.5 nm的富Cu团簇,主要分布在位错线上,数量密度达到4.2×10²²m^-3,DBTT由调质处理后的-100℃升高至-60℃;时效13200 h后,富Cu团簇略有长大,平均尺寸达到2.4 nm,团簇的数量密度与时效3000 h的试样处于相同数量级,DBTT升高至-45℃.采用热时效方法使富Cu团簇析出后,DBTT只提高了55℃,没有中子辐照引起的那样显著,这不仅是因为富Cu团簇的数量密度低,基体中没有中子辐照产生的晶体缺陷也是重要的原因.     

RPV模拟钢中纳米富Cu相的析出和结构演化研究

提高了Cu含量的核反应堆压力容器(RPV)模拟钢经过880℃水淬和660℃调质处理后,在370℃时效6000 h,利用HRTEM,EDS和原子探针层析(APT)方法研究了纳米富Cu相的析出过程和晶体结构演化.观察到Cu原子在α-Fe基体的{110}晶面上以3层为周期发生偏聚,并产生了很大的内应力使晶格发生畸变,这是富Cu相析出时的形核过程;随着Cu含量的增加和富Cu区的扩大,内应力也随着增大,富Cu区沿着α-Fe基体的{110}晶面发生切变,形成了ABC/BCA/CAB/ABC排列的多孪晶9R结构;Cu含量继续增加,富Cu相最终转变为fcc结构.富Cu相的尺寸在1-8nm范围内,数量密度为0.71×10~(23)m~(-3).富Cu相中还含有3%- 8%(质量分数)的Ni和Mn.并且在相界面上发生偏聚,从而抑制了富Cu相的长大.     

3D ATOM PROBE CHARACTERIZATION OF ALLOYING ELEMENTS PARTITIONING IN CEMENTITE OF A Nb-V MICROALLOYED STEEL

将Nb-V微合金钢在1200 ℃固溶0.5 h后淬火, 然后在450 ℃回火4 h, 结合扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM), 用三维原子探针(3DAP)研究渗碳体内部和渗碳体/基体界面处的元素分布和成分变化. 结果显示, 淬火样品中C原子由于自回火而出现轻微偏聚, 其它合金原子V,Nb, Si, Mn, Mo和Al等分布均匀. 450 ℃回火4 h样品中出现C原子偏聚区, 在该区域内, Mn含量较高, Mo和V轻微偏聚, Si和Al很少, 对应渗碳体析出, Si富集在渗碳体/基体界面处; 另外, 观察到C和V明显偏聚的单原子面, 周围富集Si和Mn, 对应合金碳化物析出初期形成的G.P.区, 成分主要为V4C3.     

Nb-V微合金钢中渗碳体周围元素分布的三维原子探针表征

将Nb-V微合金钢在1200℃同溶0.5 h后淬火,然后在450℃回火4 h,结合扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM),用三维原子探针(3DAP)研究渗碳体内部和渗碳体/基体界面处的元素分布和成分变化.结果显示,淬火样品中C原子由于自回火而出现轻微偏聚,其它合金原子V,Nb,Si,Mn,Mo和Al等分布均匀.450℃回火4 h样品中出现C原子偏聚区,在该区域内,Mn含量较高,Mo和V轻微偏聚,Si和Al很少,对应渗碳体析出,Si富集在渗碳体/基体界面处;另外,观察到C和V明显偏聚的单原子面,周围富集Si和Mn,对应合金碳化物析出初期形成的G.P.区,成分主要为V4C3.     

富铜纳米析出相在18Cr9Ni3CuNbN奥氏体耐热钢中的时效强化

采用SEM、TEM和3DAP(原子层析技术)的综合分析方法并结合显微硬度测试对18Cr9Ni3CuNbN(超级304)奥氏体耐热钢的商用钢管650℃长期时效后的样品进行分析.结果表明.超级304钢时效1 h后Cu原子即发生偏聚形成富Cu偏聚区为随后的富Cu相析出做好成分上的准备(浓度起伏),随时效时间的延续富Cu原子偏聚区中Fe,Cr,Ni等原子浓度不断稀释并扩散到基体中,Cu的浓度不断增长而逐渐成为富Cu相中的最主要的组成元素.富铜相在时效初期以几个纳米的小颗粒弥散析出,在长大过程中满足扩散控制的抛物线规律,且长时间与基体保持共格关系.即使到650℃,10000 h长期时效后富Cu相仍保持在30 nm左右的小尺寸而发挥其优异的弥散强化效果.     

利用APT对RPV模拟钢中界面上原子偏聚特征的研究

核反应堆压力容器(RPV)模拟钢样品经过660℃调质处理和370℃时效3000 h后,用原子探针层析法研究了晶界和相界面上原子偏聚的特征.结果表明,Ni,Mn,Si.C,P和Mo在晶界处均有不同程度的偏聚,偏聚倾向由强到弱依次为:C,P,Mo,Si,Mn和Ni.Cu在晶界处会出现贫化现象.Si在晶界上的偏聚程度与晶界的特性有关.在这几种元素中,C在晶界上偏聚的宽度最大,如以成分分布图中浓度峰的半高宽来比较,C的偏聚宽度是Mn,Ni和M0的1.5倍.在富Cu相与α-Fe的相界面处,Ni和Mn有明显的偏聚,而C,P.Mo和Si倾向偏聚在相界面的α-Fe一侧,且偏聚的程度比晶界处的低.     

回火时间对铌钒微合金钢中析出物的影响

将Nb-V微合金钢在1200℃固溶0.5h后淬火,在500℃回火不同时间,结合光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM),用三维原子探针(3DAP)研究了显微组织的变化和碳化物的析出特征.结果显示,淬火样品中V、Nb分布均匀,C由于自回火出现轻微偏聚;回火0.5h样品中有少量C-V或C-V-Nb团簇,而回火4h的样品中有大量的C-V或C-V-Nh团簇或析出相.这表明随着回火时间的延长,固溶在基体中的C、V、Nb原子首先发生偏聚,逐渐形成C-V-Nh团簇,最后形成了(Nb,V)C复合相.     

Ni对RPV模拟钢中富Cu原子团簇析出的影响

用原子探针层析技术和时效模拟方法,研究了不同Ni含量并且提高了Cu含量的反应堆压力容器（RPV）用模拟钢中富Cu、富Ni和富Mn原子团簇的形成。结果表明,提高钢中的Ni含量会促使富Cu原子团簇的析出,富Cu原子团簇中含有Ni和Mn。实验检测到富Ni的原子团簇,团簇中含有Cu和Mn,富Ni原子团簇可以作为富Cu原子团簇析出时的形核区。实验还检测到富Mn原子团簇,当Mn原子团簇中含有较高的Ni时,它也可以成为富Cu原子团簇析出时成核的地方。由于钢中的合金元素Ni在形成富Ni原子团簇后会成为富Cu原子团簇析出时成核区,因而提高Ni的含量将促进富Cu原子团簇的析出,这是合金元素Ni会增加压力容器钢中子辐照脆化敏感性的本质原因。     

Nanostructural evolution in surveillance test specimens of a commercial nuclear reactor pressure vessel studied by three-dimensional atom probe and positron annihilation

The nanostructural evolution of irradiation-induced Cu-rich nanoprecipitates (CRNPs) and vacancy clusters in surveillance test specimens of in-service commercial nuclear reactor pressure vessel steel welds of Doel-1 and Doel-2 are revealed by combining the three-dimensional local electrode atom probe and positron annihilation techniques. In both medium (0.13 wt.%) and high (0.30 wt.%) Cu welds, the CRNPs are found to form readily at the very beginning of the reactor lifetime. Thereafter, during the subsequent 30 years of operation, the residual Cu concentration in the matrix shows a slight decrease while the CRNPs coarsen. On the other hand, small vacancy clusters of V₃–V₄ start appearing after the initial Cu precipitation and accumulate steadily with increasing neutron dose. The observed nanostructural evolution is shown to provide unique and fundamental information about the mechanisms of the irradiation-induced embrittlement of these specific materials.     

铜偏聚区的高分辨电镜分析

研究铜在钢中的时效强化和沉淀规律具有理论意义和实用价值。应用JEM-2010高分辨电镜研究了Fe-1．18Cu、Fe-1．55Cu高纯钢在时效时组织结构的变化规律,发现,含铜高纯钢固溶处理后,在550℃、650℃时效过程中,首先在铁素体晶粒中析出含铜偏聚区,铜原子偏聚在（001）α晶面上。在时效峰处为富铜的G、P区颗粒,其直径为4—20nm,呈层状的圆饼状,一般5—9层,富铜层和贫铜层相间分布,每一层厚度约为1—2nm。G、P区与铁素体基体半共格。G．P区的富铜区内及周边存在高密度位错和层错。在过时效初期,含铜偏聚区颗粒长大,偏聚区内富铜层和贫铜层的数量增多,富铜层厚度减小,位错密度降低。在铁素体基体上弥散分布的G．P区是含铜高纯钢时效强化的原因。     

三维原子探针对10Ni3MnCuAl钢中NiAl和Cu析出位置关系的研究

将析出硬化钢10Ni3MnCuAl在900℃固溶处理2 h,500℃时效处理4 h或100 h后,用三维原子探针(3DAP)研究钢中NiAl和Cu的析出位置关系。结果表明,固溶样品中Ni、Al和Cu三种元素分布均匀。500℃时效4 h的样品中发现金属间化合物NiAl和富Cu相在相同位置析出,随着时效时间增加到100 h,NiAl相和富Cu相有逐渐分离的趋势,这是因为NiAl相为体心立方的B2结构,而富Cu相此时已趋于向面心立方的ε-Cu转变。     

时效温度对直接淬火Ni-Cr-Mo-V-Cu钢组织及性能的影响

利用OM、SEM、TEM及物理化学相等方法研究了时效温度变化对直接淬火Ni-Cr-Mo-V-Cu低合金钢组织及力学性能的影响,同时在具有最佳强韧性匹配的时效态试样中建立了屈服强度模型。Ni-Cr-Mo-V-Cu钢的直接淬火组织为马氏体和少量贝氏体组成的混合组织。直接淬火Ni-Cr-Mo-V-Cu钢在400~600 ℃范围内的不同温度时效处理后,其强度及维氏硬度表现出典型的欠时效阶段、峰时效阶段及过时效阶段。试验钢位错回复程度、MC及富铜粒子的析出、bcc铁基体中固溶元素的脱溶等因素随时效温度的变化是时效态试验钢表现出上述3个阶段的重要原因。时效态试验钢的断后伸长率大体随时效温度的提高而改善。过时效态试验钢的-20 ℃冲击性能则随着时效温度的升高而提高。直接淬火试验钢在600 ℃时效处理时获得优越的强韧性匹配,MC及富铜粒子所提供的总析出强化增量约为240 MPa。     

Ni含量对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢富铜相析出的影响

研究了不同Ni含量的0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢在1040℃固溶后油冷和炉冷(均进行480℃时效,分别表示为OC、FC试样)两种热处理工艺下的力学性能和微观组织变化规律,通过力学性能测试、SEM和TEM观察,探讨了Ni含量对力学性能和富铜相析出的影响.研究表明:FC试样的强度由于炉冷过程中析出了粗大的富铜相而显著低于OC试样的;随Ni含量的提高,两种试样的强度均增加,但差距在缩小,其原因是炉冷过程中析出的富铜相尺寸逐渐细小,表明Ni可以提高了Cu在γ相区的溶解度,延缓了固溶后炉冷过程中的富铜相析出;随时效温度的提高,不同Ni含量试验钢的强度降低,且Ni含量高的试验钢强度降低更显著;随Ni含量的提高,时效过程中富铜相的形核速率和长大速度增加,表明Ni降低了Cu在钢中的扩散激活能.     

Synergistic effects of Cu and Ni on nanoscale precipitation and mechanical properties of high-strength steels

There is an increasing demand for ultrahigh-strength ferritic steels strengthened by nanoprecipitates. Improvement of the precipitation strengthening response requires an understanding of the nanoscale precipitation mechanisms. In this study, the synergistic effects of Cu and Ni on nanoscale precipitation and mechanical properties of ferritic steels were thoroughly investigated, and new steels with ultrahigh strength and high ductility have been developed. Our results indicate that Ni effectively increases the number density of Cu-rich nanoprecipitates by more than an order of magnitude, leading to a substantial increase in yield strength. It appears that Ni decreases both the strain energy for nucleation and the interfacial energy between the nucleus and the matrix, thereby decreasing the critical energy for nucleation of Cu-rich nanoprecipitates. Cu and Ni are also found to be beneficial to grain-size refinement, resulting from lowering the austenite-to-ferrite transformation temperature, as determined from thermodynamic calculations. In addition, the strengthening mechanisms of Cu and Ni were quantitatively evaluated in terms of precipitation strengthening, grain refinement strengthening and solid-solution strengthening. The current findings shed light on the composition–microstructure–property relationships in nanoprecipitate-strengthened ferritic steels.     

V-N微合金化CrSiMn系低合金铸钢中的析出行为

利用JMatPro热力学模拟软件对V-N微合金化CrSiMn系低合金铸钢进行了计算,得到了不同V含量铸钢的平衡相组成,着重研究了平衡状态下各析出相的析出行为。结果表明,在加热过程中,V含量的增加将增大铁素体向奥氏体的转变阻力;V含量对微合金化渗碳体及M₇C₃型碳化物的析出行为影响不大;V含量对氮化物及碳氮化物的析出有较大影响,当V含量由0增加至0.18%(质量分数)时,氮化物及碳氮化物的初始析出温度由734.2 ℃提升至1133.93 ℃,最大析出量(质量分数)由0.07%提升至0.24%。