Kinetics of sulphur segregation at grain boundaries and the mechanical properties of nickel

Abstract

The prior Petch study by the authors of segregated Ni-S alloys containing <1-50 ppm S is extended here to examination of the kinetics of grain boundary hardening and of the effects of thermal history in these same alloys. It is demonstrated that the kinetics of segregation as inferred from boundary hardening are quite complex and much too rapid to be accoun ted for by normal volume diffusion. However, segregation kinetics become sufficiently slow below room temperature that quenching to, and testing at, cryogenic temperatures permit comparison of the tensile properties of bulk specimens of the nickel alloys in the condition with sulphur dispersed and that with sulphur segregated near the grain boundaries. Even the purest nickel tested (<1 ppm S) exhibits a significant increase in reduction-in-area and an increase in the .2% flow stress in the dispersed state relative to the segregated state. The present results are shown to be most fully consistent with a vacancy assisted, non-equilibrium segregation model rather than one of precipitation or equilibrium segregation.

Résumé

Pour faire suite à leur précédente étude de la relation de Petch dans les alliages Ni-S contenant 0–50 ppm, les auteurs ont étudié la cinétique de durcissement des joints de grains et les effets de l'histoire thermique dans ces meme alliages. La cinétique de ségrégation telle que déduite du durcissement du joint est quelque peu complexe et beaucoup trop rapide pour être interprétée en termes de diffusion volumique normale. Cependant, au-dessous de la température ambiante, la cinétique de ségrégation devient suffisamrtlent lente pour que, par trempe et essais à des tempéraptures cryogéniques, une comparaison puisse être établie entre les propriétés en traction D'échantillons d'alliages de nickel soit con tenant du soufre sous forme dispersée soit contenant du soufre ségrégé prés des join ts de grains. Même le nickel le plus pur (S < 1 ppm) révèle une augmentation significative de la réduction de section et une augmentation de la limite d'élasticité à 0.2% quand le soufre est à l'etat disperse plutot qu'a l'état ségrégé. Ces résultats se révèlent beaucoup plus compatibles avec un modèle de ségrégation de non-équilibre assistée par les lacunes plutôt qu'avec un modèle de ségrégation d'équilibre ou un modèle de précipitation.