晶界与晶界偏聚ppt课件

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1、溶质原子的晶界偏聚溶质原子的晶界偏聚材料与冶金学院材料与冶金学院袁泽喜袁泽喜2010.06溶质原子的晶界偏聚材料与冶金学院1目录目录0 前言前言 0.1 研究意义研究意义 0.2 残留元素的来源及钢中残留趋势残留元素的来源及钢中残留趋势1 平衡晶界偏聚平衡晶界偏聚 1.1 平衡晶界偏聚机制平衡晶界偏聚机制 1.2 平衡晶界偏聚热力学平衡晶界偏聚热力学 1.3 平衡晶界偏聚动力学平衡晶界偏聚动力学目录0 前言2 2 非平衡晶界偏聚非平衡晶界偏聚 2.1 非平衡晶界偏聚机制非平衡晶界偏聚机制 2.2 非平衡晶界偏聚热力学非平衡晶界偏聚热力学 2.3 非平衡晶界偏聚动力学非平衡晶界偏聚动力学3、大、

2、大 冷变形再结晶退火时的晶界偏聚冷变形再结晶退火时的晶界偏聚 3.1 偏聚现象偏聚现象 3.2 偏聚机制偏聚机制 3.3 临界时间计算临界时间计算 3.4 竞争偏聚竞争偏聚 2 非平衡晶界偏聚3前言前言 我国钢铁工业现状我国钢铁工业现状 我国未来钢铁原料潜在的危机我国未来钢铁原料潜在的危机 国产铁矿共生低熔点元素偏高 废钢中低熔点元素积累愈来愈严重 低熔点元素对钢铁材料的危害低熔点元素对钢铁材料的危害 磷、锡、锑、铋晶界偏聚行为 稀土、硼对低熔点元素偏聚抑制作用前言4回火脆性硅钢的晶界与表面偏聚对织构度的影响 蠕变过程中的脆性断裂焊接过程中的冷脆性铜合金中铋偏聚镍基高温合金中硫偏聚核反应堆中辐

3、照过程中的脆性连铸热塑性与横向裂纹 金属材料的晶间腐蚀一、研究意义一、研究意义回火脆性硅钢的晶界与表面偏聚对织构度的影响 蠕变过程中5金属材料非硬化脆化产生的原因：铜合金中的铋元素镍基高温合金中的硫元素钢中磷、锡、砷、锑、铋等等残留元素的晶界偏聚残留元素的晶界偏聚金属材料非硬化脆化产生的原因：铜合金中的铋元素残留元素的晶界6残留元素的来源1、矿石中的共生元素、矿石中的共生元素2、冶炼过程所添加辅料中、冶炼过程所添加辅料中残留元素的来源1、矿石中的共生元素7钢中残留元素的积累钢中残留元素的积累钢中残留元素的积累81.平衡晶界偏聚平衡晶界偏聚1.1 平衡晶界偏聚机制平衡晶界偏聚机制弹性畸变能引起平

4、衡晶界偏聚弹性畸变能引起平衡晶界偏聚1.平衡晶界偏聚1.1 平衡晶界偏聚机制弹性畸变能引起平9泡沫模型泡沫模型泡沫模型10D.Mclean 理论（热力学）理论（热力学）N个未畸变的点阵位置有个未畸变的点阵位置有P个溶质原子占据，另有个溶质原子占据，另有n个畸个畸变位置变位置p个溶质原子占据。假设一个溶质原子进入未畸个溶质原子占据。假设一个溶质原子进入未畸变位置引起的畸变能变位置引起的畸变能E,而进入一个畸变位置引起的附加而进入一个畸变位置引起的附加畸变能畸变能e，因此，由此引起的自由能是：，因此，由此引起的自由能是：G的极小值为：的极小值为：D.Mclean 理论（热力学）N个未畸变的点阵位置

5、有P11平衡晶界偏聚热力学平衡晶界偏聚热力学畸变区的溶质浓度畸变区的溶质浓度-未畸变区的溶质浓度未畸变区的溶质浓度-卡卡/克分子代替（克分子代替（E-e）当考虑振动熵并假定基体溶质浓度当考虑振动熵并假定基体溶质浓度很低时，很低时，平衡晶界偏聚热力学畸变区的溶质浓度-12平衡晶界偏聚理论平衡晶界偏聚理论D.Mclean D.Mclean 理论理论武汉科技大学热力学公式估算困难未涉及偏聚元素之间化学作用平衡晶界偏聚理论D.Mclean 理论武汉科技大学热力学公式13平衡晶界偏聚动力学平衡晶界偏聚动力学平衡晶界偏聚动力学14平衡晶界偏聚动力学平衡晶界偏聚动力学平衡晶界偏聚动力学15-富集比d-晶界厚

6、度Mcleann平衡偏聚动力学平衡偏聚动力学-富集比d-晶界厚度Mcleann平衡偏聚动力学16晶晶 界界 偏偏 聚聚 理理 论论平衡晶界偏聚理论平衡晶界偏聚理论平衡晶界偏聚理论平衡晶界偏聚理论平衡偏聚动力学曲线平衡偏聚动力学曲线武汉科技大学晶 界 偏 聚 理 论平衡晶界偏聚理论平衡偏聚动力学曲线武汉171、镁在铝中扩散系数：D=0.58e-30100/RTcm2s-1 Mg的浓度0.01at%,2=30，d=810-8cm，求240偏聚达到平衡浓度一半所需要的时间？2、若规定偏聚达到平衡浓度一半所需要的时间为107s时的温度为偏聚冻结温度，Cu在Al中的扩散系数D=0.28e-26200/R

7、Tcm2s-1，2=100，d=810-8cm，求Cu的冻结温度。推导出冻结温度公式。平衡晶界偏聚习题平衡晶界偏聚习题1、镁在铝中扩散系数：D=0.58e-30100/RTcm18非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论Aust Anthony Faulkner Xu.tingdong 非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论19晶界与晶界偏聚ppt课件20晶界与晶界偏聚ppt课件21晶界与晶界偏聚ppt课件22晶界与晶界偏聚ppt课件23晶界与晶界偏聚ppt课件24非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论晶晶 界界 偏偏 聚聚 理理 论论I+V=C降

8、温降温保温保温偏聚偏聚解聚解聚武汉科技大学非平衡晶界偏聚理论晶 界 偏 聚 理 论I+V=C降温保温偏25晶界与晶界偏聚ppt课件26晶界与晶界偏聚ppt课件27硼偏聚硼偏聚硼偏聚28晶界与晶界偏聚ppt课件29晶界与晶界偏聚ppt课件30晶界与晶界偏聚ppt课件31晶界与晶界偏聚ppt课件32晶界与晶界偏聚ppt课件33晶界与晶界偏聚ppt课件34晶界与晶界偏聚ppt课件35晶界与晶界偏聚ppt课件36晶界与晶界偏聚ppt课件3738非平衡晶界偏聚理论非平衡晶界偏聚理论39晶界与晶界偏聚ppt课件40晶界与晶界偏聚ppt课件41晶界与晶界偏聚ppt课件42晶界与晶界偏聚ppt课件43晶界与晶

9、界偏聚ppt课件44晶界与晶界偏聚ppt课件45晶界与晶界偏聚ppt课件46晶界与晶界偏聚ppt课件47晶界与晶界偏聚ppt课件48晶界与晶界偏聚ppt课件49晶界与晶界偏聚ppt课件50晶界与晶界偏聚ppt课件51晶界与晶界偏聚ppt课件52晶界与晶界偏聚ppt课件53晶界与晶界偏聚ppt课件54晶界与晶界偏聚ppt课件55晶界与晶界偏聚ppt课件56晶界与晶界偏聚ppt课件57晶界与晶界偏聚ppt课件58非非 平平 衡衡 晶晶 界界 偏偏 聚聚 动动 力力 学学动力学曲线动力学曲线动力学曲线动力学曲线武汉科技大学非 平 衡 晶 界 偏 聚 动 力 学动力学曲线武汉科技大学59临界时间临界时

10、间临界时间60测量晶界溶质偏聚量的方法测量晶界溶质偏聚量的方法俄歇能谱仪径迹显微照相TEM法测量晶界溶质偏聚量的方法俄歇能谱仪径迹显微照相TEM法61元素晶界偏聚对热塑性的影响元素晶界偏聚对热塑性的影响元素晶界偏聚对热塑性的影响元素晶界偏聚对热塑性的影响晶界偏聚导致脆性的发生晶界偏聚导致脆性的发生晶晶界界偏偏聚聚降降低低了了晶晶界界的的表表面面能能减减弱弱了了晶晶粒粒间间的结合力，加速晶界微孔的形核与长大；的结合力，加速晶界微孔的形核与长大；锁锁住住了了晶晶界界不不能能动动，只只能能形形成成晶晶界界微微孔孔来来消消除位错堆积；除位错堆积；阻阻碍碍了了晶晶界界迁迁移移和和动动态态再再结结晶晶，而

11、而晶晶界界迁迁移和动态再结晶有利于恢复塑性。移和动态再结晶有利于恢复塑性。武汉科技大学元素晶界偏聚对热塑性的影响晶界偏聚导致脆性的发生晶界偏聚降低62阶梯曲线阶梯曲线ti和tj分别是第j个台阶的等温时间的温度阶梯曲线ti和tj分别是第j个台阶的等温时间的温度63公式推导公式推导Ti tiTj tj公式推导Ti tiTj tj644.14.1）不同）不同退火温度退火温度磷晶界偏聚规律磷晶界偏聚规律4.24.2）不同）不同退火时间退火时间磷晶界偏聚规律及磷晶界偏聚规律及机制机制4.34.3）磷与硼的）磷与硼的竞争偏聚规律竞争偏聚规律4/25/2024武汉科技大学4.Ti-IF4.Ti-IF钢中磷的

12、晶界偏聚行为钢中磷的晶界偏聚行为4.1）不同退火温度磷晶界偏聚规律7/31/2023武汉科技654/25/2024武汉科技大学4.1 不同温度退火磷的晶界偏聚规律4.Ti-IF4.Ti-IF钢中磷的晶界偏聚行为钢中磷的晶界偏聚行为图图4.1 不同退火温度测量的典型俄歇谱不同退火温度测量的典型俄歇谱7/31/2023武汉科技大学4.1 不同温度退火磷的晶界偏66假设俄歇谱上元素峰高比与其浓度成正比，假设俄歇谱上元素峰高比与其浓度成正比，元素的浓度（原子百分比）元素的浓度（原子百分比）Ci可以写成可以写成 式中式中Hi和和Si分别表示分别表示i元素的俄歇峰高比和敏感因子，元素的俄歇峰高比和敏感因子

13、，其中其中HiHp/HFe703 真实的晶界浓度为：真实的晶界浓度为：C1=2Ci-Cg Ci是测试计算值，是测试计算值，Cg是晶内浓度。是晶内浓度。每个试样至少测每个试样至少测20个晶界，求平均值个晶界，求平均值假设俄歇谱上元素峰高比与其浓度成正比，式中Hi和Si分别表示674.1 不同温度退火磷的晶界偏聚规律图图4.2 实验钢在不同温度退火实验钢在不同温度退火180sec后后P的晶界偏聚浓度的晶界偏聚浓度4.1 不同温度退火磷的晶界偏聚规律图4.2 实验钢在不同684/25/2024武汉科技大学4.2 4.2 不同退火时间磷的晶界偏聚规律不同退火时间磷的晶界偏聚规律图图4.3 实验钢实验钢

14、810退火不同时间俄歇谱退火不同时间俄歇谱7/31/2023武汉科技大学4.2 不同退火时间磷的晶界偏694.2.1 4.2.1 不同退火时间磷的晶界偏聚规律不同退火时间磷的晶界偏聚规律图图4.4 实验钢退火不同时间磷晶界偏聚动力学曲线实验钢退火不同时间磷晶界偏聚动力学曲线4.2.1 不同退火时间磷的晶界偏聚规律图4.4 实验钢退704.2.2 磷的晶界偏聚机制4/25/2024武汉科技大学图图4.5 P原子与位错形成的原子与位错形成的Cottroll气团模型气团模型4.2.2 磷的晶界偏聚机制7/31/2023武汉科技大学图714/25/2024武汉科技大学4.2.2 磷的晶界偏聚机制图图4

15、.6 小角度晶界的高分辨像及电子衍射小角度晶界的高分辨像及电子衍射 7/31/2023武汉科技大学4.2.2 磷的晶界偏聚机制图724.2.24.2.2磷的晶界偏聚机制磷的晶界偏聚机制4.2.2磷的晶界偏聚机制734/25/2024武汉科技大学3.2 Ti-IF钢不同温度再结晶组织转变（a)冷轧态（b)655（c)740（d)810图图3.3 Ti-IF钢冷轧及不同温度退火钢冷轧及不同温度退火100secTEM分析分析7/31/2023武汉科技大学3.2 Ti-IF钢不同温度再744/25/2024武汉科技大学4.2.2 磷的晶界偏聚机制图图4.7 大角度晶界及其晶界上位错分布大角度晶界及其晶

16、界上位错分布7/31/2023武汉科技大学4.2.2 磷的晶界偏聚机制图754/25/2024武汉科技大学4.3.4.3.不同退火时间磷与硼的竞争晶界偏聚不同退火时间磷与硼的竞争晶界偏聚行为行为图4.10实验钢退火不同时间典型俄歇谱图 7/31/2023武汉科技大学4.3.不同退火时间磷与硼的764.3.不同退火时间磷与硼的竞争晶界偏不同退火时间磷与硼的竞争晶界偏聚行为聚行为图4.11 实验钢退火不同时间硼和磷晶界偏聚浓度4.3.不同退火时间磷与硼的竞争晶界偏聚行为图4.11 774/25/2024武汉科技大学4.3 4.3 磷与硼的晶界竞争偏聚行为磷与硼的晶界竞争偏聚行为图图4.12 磷原子与硼原子形成的磷原子与硼原子形成的Cottrell 气团气团7/31/2023武汉科技大学4.3 磷与硼的晶界竞争偏聚行78