钢中界面科学研究进展(Ⅰ)

 钢中界面包括晶界、相界等,在结构和化学组成上与体相均有明显的差异,在能量上也具有特殊性,对钢的相变机理、服役性能等具有十分重要的影响。近年来,有关材料分析和测试手段得到快速发展,结合第一性原理和有限元模拟等技术和方法,人们对钢中界面科学问题有了进一步深入的认识,也使得这方面的研究内容更加丰富多彩,取得了众多成果。综述了钢中的微观固-固界面调控的国内外研究动态,界面类型涵盖单相钢中的晶界和多相钢中的相界。简要概述了钢中各种界面的形成机理,探讨了不同界面类型的能量差异、取向差异以及应力分布等;重点关注了界面数量调控、界面结构调控和界面偏聚调控,探讨了热处理工艺、变形方式和成型方式等界面调控手段对最终界面结构形成和化学成分偏聚的影响,介绍了先进技术手段在表征界面结构和界面成分偏聚上的应用;同时对界面与位错之间的相互作用模型及其对不连续屈服和加工硬化的影响也进行了简述。最后从界面调控方式、计算机模拟、技术表征手段等方面对界面的未来发展趋势进行了预测。     

超低碳含铌钢的块状相变及动力学

为了探究一种超低碳含铌钢(0.002C-0.52Nb)的相变机制及动力学,采用热膨胀法研究其连续冷却转变行为,通过光学显微镜及扫描电镜观察组织转变特征及规律,并用改进的JMA方程计算相变界面移动速率。结果表明,试验钢在3~30℃/s冷速范围内的组织具有块状相变的特征,即新相铁素体晶界呈不规则的锯齿状,可以跨越原奥氏体晶界生长;相变动力学计算结果显示,同一冷速下的界面速率基本稳定,3、5、10、30℃/s对应的平均界面移动速率分别为(0.65、1、1.7、6.2)×10~(-5)m/s,相界面移动速率随冷速增加而提高,与冷速的增加比例基本相当,界面控制的动力学方程基本适用,铌溶质在一定程度上影响了相界移动速率。     

合金元素对Cr-Mo钢第二类回火脆性影响研究综述

对于一些长期在中温条件下服役的Cr-Mo钢(2.25Cr1Mo),由于钢中P、S等有害杂质元素在服役过程中不断向晶界偏聚,降低了晶界结合力,致使该类钢出现第二类回火脆性这一关键问题.为了探寻降低这类Cr-Mo钢第二类回火脆性倾向的有效方法,提高材料安全服役可靠性,从溶质元素偏聚机制出发,总结分析了合金元素晶界偏聚及改善...     

超低碳贝氏体钢快速加热奥氏体长大过程中移动晶界上硼的反常偏聚

利用径迹显微照相技术研究了超低碳贝氏体钢焊接热影响区在焊接热循环快速加热过程中硼在奥氏体晶界上的偏聚行为。发现以高密度位贝氏体为原始组织的材料进行快速加热时，新形成的奥氏体晶粒边界上在很高温度下仍会出现反常的晶界硼偏聚。用晶界位错驰原制对这种新的非平衡现象进行了讨论。     

低熔点元素铋对钢脆化行为的影响

 为了探明钢中低熔点元素铋在切削加工和高温变形生产过程中的“两面性”作用,借助切削加工试验、高温热塑性试验及微观组织结构分析,研究了不同温度范围内铋对钢脆化行为的影响。结果表明,在切削加工过程中,低熔点元素铋对钢的脆化作用,使铋易切削钢易于形成对切削加工有利的“C形”脆性屑,从而获得优良的可切削加工性能,该脆化行为主要与钢中铋的液态金属脆化作用有关,显著降低钢在铋熔点温度附近的塑性。在高温变形温度区间,低熔点元素铋对钢脆化行为的影响,主要与奥氏体晶界上铋膜的偏聚有关,脆化晶界,显著降低钢在1 000 ℃及以下试验温度时的热塑性。     

钢中元素偏聚的研究现状及其发展趋势

 固溶状态下,钢中合金元素会在晶界、缺陷等处优先出现偏聚现象,对钢材的组织和性能产生显著影响。由于元素在钢中的偏聚量小,不易观察,而且影响偏聚的因素很多,导致钢中元素偏聚的理论研究进展缓慢。为了揭示不同元素在钢中的偏聚机理,充分发挥钢中元素偏聚的积极作用,从偏聚类型出发,总结分析了元素偏聚的影响因素和控制手段,重点介绍了几种常见元素的偏聚现象,深入分析其偏聚量及位置对钢材性能的影响,同时还介绍了几种观察元素偏聚的手段。期望能为揭示钢中偏聚行为、发挥其作用提供参考,也为后续偏聚行为的研究提供一些参考。     

磷元素在钢中的晶界偏聚

磷元素在钢中的晶界偏聚可以分为两类,即平衡偏聚和非平衡偏聚.介绍了这两类偏聚现象以及偏聚理论.以磷对晶界结合力、晶界扩散和晶界能的影响机理为基础,分析了磷元素对钢力学性能的影响和磷在钢中发生晶界偏聚的原因.     

TWIP钢应变诱导孪晶原位观察

利用装配拉伸台的共焦激光扫描显微镜原位观察了一种TWIP钢(Fe-30Mn-3AI-3Si)变形过程中的应变诱导孪晶(SIT).结果表明,孪晶诱导应变阀值对应变速率不敏感,均为4.0%左右;孪晶萌发于晶界,沿晶粒扩展至晶界(或孪晶界)终止;按生长过程孪晶可分为三类:层片状、透镜状以及"耳"状,形态差异源于变形过程中TWIP钢多晶体取向以及沿孪生特定位向的调整幅度;孪晶可以交互穿越,低应变速率下,先形成初生孪晶,而后出现次生孪晶并与前者交错,高应变速率下两个体系的孪晶同时形成;断裂时裂纹可以沿孪晶界扩展.利用SIT模型计算了孪晶层片间距,与TEM观测结果吻合.     

超低碳钢在铁素体生长过程中硼分布的变化

通过对照显微结构与硼的自射线径迹显微照相（ＰＴＡ）,研究了一种超低碳含硼钢在铁素体生长过程中硼分布的变化,发现：在发生等温铁素体相变前,硼已偏聚在奥氏体晶界上;铁素体在奥氏体晶界形核;在有铁素体生成的奥氏体晶界上,硼偏聚减弱;沿晶界长出的小块铁素体中硼浓度明显高于奥氏体,但随铁素体长大,其硼含量逐渐与母相持平。这些现象表明,铁素体长大不受硼在奥氏体中扩散的控制     

镁在镍基高温合金中的分布及其对晶界状态的影响

本工作研究了镁在镍基高温合金中的分布及存在形式。用STEM,AES,SEN,SIMS等证明了镁偏聚于晶界、晶界M_6C碳化物的相界和MC碳化物相界,并且进入了MC与M_6C碳化物中,从而基本上弄清了镁的分布。镁在界面的偏聚影响了合金的晶界状态:使条状的晶界碳化物块化。通过对晶界能和相界能的测量及理论分析说明镁使晶界碳化物块化的原因是改变了晶界能σΥ-Υ与M_6C碳化物相界能σΥ-c的比值σΥ-Υ/σΥ-c。     

22SiMn2TiB钢连铸坯横向断裂原因分析

对22SiMn2TiB钢连铸坯横向断裂原因进行分析。结果表明:铸坯柱状晶发达,晶间存在大量中间裂纹,且Ti、Mn元素偏聚于奥氏体晶界,使奥氏体晶界弱化。在矫直力、热应力作用下,中间裂纹沿奥氏体晶界扩展,导致连铸坯发生横向断裂。适当降低二次冷却比水量和中包过热度可获得良好的铸坯质量,有效解决22SiMn2TiB钢铸坯断裂问题。     

不锈钢热塑性降低的非平衡偏聚机理

Mintz于1997年报道了一个有趣的试验现象:随着拉伸应变速率的增加,奥氏体钢韧性降低,铁素体钢韧性反而提高。其机制未得到解释。通过计算试验钢中P原子的非平衡晶界偏聚临界时间,结果发现奥氏体钢拉伸前热过程的等效时间短于其临界时间,而铁素体钢的等效时间长于其临界时间。由于奥氏体钢和铁素体钢分别在850和800℃等效时间最接近临界时间,韧性最低,即试验钢的热塑性降低都是由于非平衡晶界偏聚的临界时间造成的。应变速率降低,弹性应力作用时间增加。晶界偏聚量改变,热塑性降低的程度也随之改变。即热塑性降低的程度随应变速率的改变是由应力引起的非平衡晶界偏聚决定。     

含Nb和Ti低合金钢连铸坯直接轧制出现裂纹的机理

低 Mn 钢在1100℃以下的奥氏体(γ)区以高变形速度变形时,于晶界会出现 S 的偏聚,进一步变形在晶界和晶内动态析出(Fe、Mn)S,伴随晶界破坏产生严重脆化。为澄清析出物和脆化的关系及铸坯直接轧制时出现裂纹的机理,对含有 Nb 和Ti 的低合金钢进行了连铸坯弯曲、矫直和轧制的模拟实验。首先用高频感应炉真空冶炼四种不同化学组成(Al 镇静钢、Nb 钢及含微量 Ti 钢)的50Kg钢锭,经锻造和轧制加工成12mm 厚钢板,在螺杆式拉伸试验机上进行了实验。主要结果如下;1.于600～1100℃以相当于轧制时的高变形     

稀土元素改善Cr18Ni18Si2奥氏体钢高温持久断裂性能的机制

用Auger电子能谱分析技术、光学和电子金相法,对经过高温持久试验的加与未加稀土Cr18Ni18Si2奥氏体钢试样进行了晶界化学成分和碳化物等组织结构观测。结果表明,Cr18Ni18Si2钢在高温持久试验过程中,硫、磷和锑等杂质元素产生严重的晶界偏聚。添加0.15%混合稀土能够显著降低硫的偏聚程度,消除磷和锑的偏聚。稀土对Cr18Ni18Si2钢高温持久试验过程中析出的第二相类型及其与基体的位向关系没有影响,但稀土能够延缓M_(23)C_6型碳化物沿晶界析出过程,改变碳化物粒子的分布形态。根据实验观测结果讨论了稀土改善Cr18Ni18Si2奥氏体钢高温持久断裂性能的机制。     

A105连铸坯表面横裂纹形成原因分析

应用配有能谱仪的场发射扫描电镜分析了A105钢中裂纹处及基体内残余元素Cu、As和Sn以及P含量.应用Thermo-Calc热力学计算软件计算了A105钢的主要析出相以及钢液中P含量随固相质量分数变化关系.应用Gleeble 1500热模拟试验机对A105钢的高温热塑性进行了研究.发现P偏析是该钢产生横裂的主要原因,残余元素Cu、As和Sn在晶界的偏聚加剧了裂纹的形成,矫直温度偏低加速了裂纹的扩展,而裂纹的形成可能与AlN的析出无关,因为析出的AlN很少.      

分步冷却过程中磷的非平衡晶界偏聚

研究了分步冷却过程中12Cr1MoV钢磷的非平衡晶界偏聚。从理论上计算了磷的晶界偏聚等效时间和晶界偏聚量，并用实验验证了根据动力学计算得出的磷的晶界偏聚浓度。试验结果与理论计算值相符．可为预测钢在实际服役状况下的晶界脆性提供依据。     

奥氏体变形及冷却速率对低碳贝氏体组织中大角晶界分布的影响

使用电子背散射衍射技术研究了低C高Mn高Nb成分设计下,非再结晶奥氏体变形及加速冷却速率对低碳贝氏体组织取向差特征和大角晶界分布的影响.结果表明,与原奥氏体晶粒内部的相变组织相比,原奥氏体晶界附近具有更高的大角晶界密度,非再结晶区奥氏体变形及快速冷却都有利于提高共格相变的驱动力、弱化变体选择以及有效增加大角晶界密度.此外,非再结晶区的大变形除了可充分压扁奥氏体晶粒和增加单位面积的奥氏体晶界密度外,还导致奥氏体晶界上细小的非共格转变铁素体晶粒生成,且这些铁素体晶粒与相邻组织表现出大取向差.      

NiCrMoV钢中铬和氮的非平衡晶界共偏聚

 在非平衡晶界共偏聚理论基础上,分析了NiCrMoV钢中铬和氮在700~900 K下的共偏聚动力学。结果表明,氮在时效过程中出现的非平衡偏聚特征是铬非平衡偏聚诱发的结果;铬、氮二者的晶界共偏聚行为属非平衡共偏聚。分析结果为非平衡晶界共偏聚理论提供了证据。     

中碳微合金化钢高温延塑性的研究

借助Gleeble1500热模拟试验机测试了含Nb和含Nb、Ti两种中碳微合金化钢的高温力学行为,分析了析出物、相变、动态再结晶对微合金化钢高温延塑性的影响。结果表明:试验钢种无第Ⅱ脆性区出现;含Nb钢第Ⅲ脆性区的温度范围为950~700℃,含Nb、Ti钢第Ⅲ脆性区的温度范围为900~725℃;微合金化元素Ti的加入可以细化奥氏体晶粒使含Nb微合金化钢高温塑性槽变窄、变浅;析出物沿晶界多而细小的析出和γ→α相变是第Ⅲ脆性区微合金化钢高温延塑性变差的主要原因。实际生产中通过优化二冷区水量,采用弱冷,可以有效降低微合金化钢表面微裂纹的发生率。     

第三代汽车钢的热塑性及断裂机理

采用Gleeble-1500热模拟试验机,对第三代汽车钢(TG钢)在不同的变形温度下进行了热拉伸试验,研究其热塑性的变化运用光学显微镜和扫描电镜分析了实验钢热变形的断口形貌及断裂机理.发现实验钢的强度随温度的升高而降低,热塑性曲线分为第Ⅰ脆性区、高温塑性区和第Ⅲ脆性区三个区域,其中第Ⅲ脆性区存在两个塑性极小值.在1300~800℃时实验钢的组织为奥氏体,断裂方式为连孔延性断裂,动态再结晶使韧窝分离前发生了较大的塑性变形,断口为大而深的韧窝;750℃时实验钢沿奥氏体晶界析出铁素体,断裂方式为界面断裂,断口既存在着铁素体内聚失效形成的小的孔洞,也存在由于裂纹沿奥氏体晶界扩展形成的石块状形貌;650℃由于出现了铁素体的准解理,实验钢的塑性下降,热塑性曲线再次出现极小值.