微量溶质元素在金属晶界的偏聚VIP免费

～综述～微量溶质元素在金属晶界的偏聚林文松(上海工程技术大学材料工程学院,上海200336)摘要:溶质元素在金属晶界的偏聚可以分为两类,即平衡偏聚和非平衡偏聚。本文回顾了这两类偏聚现象及其机理,着重讨论分析了有重要工程用途的三类典型的晶界偏聚:硼在奥氏体晶界的两类偏聚的实验规律及对硼钢淬透性影响;磷在奥氏体晶界的平衡偏聚及对钢回火脆性的作用,钢中的其他合金元素对磷的偏聚的影响;硼在多种金属间化合物的偏聚及对这些金属间化合物塑性的影响及其机理。关键词:平衡偏聚;非平衡偏聚;晶界;硼钢;回火脆性中图分类号:TG111.2文献标识码:A文章编号:1008-1690(2004)02-0018-04SegregationofSoluteElementsonMetalGrainBoundariesLINWen-song(InstituteofMaterialEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringandScience,shanghai200336)Abstract:Thesegregationofsoluteelementsonmetalgrainboundariesmaybedividedintotwocategories,thatis,equi2libriumandnon-equilibriumsegregation.Thesegregationsandtheirmechanismhavebeenreviewed.Thediscussionandanalysisarecentredonthreekindsoftypicalgrainboundarysegregationwhichwillbeofgreatuseforengineering:experi2mentallawofthetwotypesofsegregationofborononausteniticgrainboundariesandtheireffectonthehardenablityofboronsteel,theequilibriumsegregationofphosphorusonausteniticgrainboundariesanditseffectontemperingbrittlenessandtheeffectoftheotheralloyingelementsonthesegregationofphosphorus,andthesegregationofboroninvariousin2termetalliccompoundsanditseffectonplasticityoftheintermetalliccompoundsandmechanism.KeyWords:equilibrium;segregation;non-equilibriumsegregation;grainboundary;boronsteel;temperingbrittleness溶质原子在晶界的偏聚很早就被人们所熟知,并被广泛应用于钢的热处理实践中。最新的研究表明,晶界偏聚不但对金属材料的力学性能和化学性能有广泛影响,而且对金属和合金的相变,界面结构及运动都有重要影响。此外,某些微量元素在金属间化合物晶界的偏聚有助于改善其脆弱的晶界,大幅度增加其塑性,从而提高这类有重要应用价值材料的实际应用前景。因此研究溶质元素(特别是微量元素)在晶界的偏聚有非常重要的实际意义。1元素在晶界的偏聚现象及其机理元素特别是微量元素,在晶界上的偏聚在许多合金系中已被发现[1～20]。这种偏聚对金属材料的力学性能有着深刻的影响,其中有些是有益的[1～13],而有些是有害的[14～20]。根据溶质原子的偏聚特点,可以将金属晶界偏聚分为两类,即平衡偏聚和非平衡偏聚[21～22]。收稿日期:2004-02-02作者简介:林文松(1966.5—),男,福建人,博士。主要从事纳米表面工程的研究,包括纳米电刷镀、纳米梯度功能涂层、纳米化学复合镀、纳米热喷镀等。部分研究项目已得到上海市科委纳米专项基金资助。·81·《热处理》2004年第19卷第2期©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1.1平衡偏聚平衡偏聚是一种热力学平衡现象。其主要特点是:偏聚程度只取决于系统平衡参数,与材料经历的历史过程无关。这种偏聚的溶质局限于很窄的晶界结构范围,在一定温度下有一定的偏聚量,随温度升高,偏聚量下降。在较长的加热或冷却过程中,偏聚量有一个达到平衡值的过程。对于二元合金系,溶质原子在晶界的偏聚可以用Mclean平衡偏聚公式[23]来进行估算:Cg/Cb=Aexp(Q/RT)式中Cg、Cb分别表示溶质原子在金属晶界和晶内的平衡浓度,Q表示偏聚结合能。Q的物理意义是:在金属晶体内部的溶质原子所产生的畸变能E,与在金属晶界上的溶质原子所产生的畸变能e的差值,即Q=E-e。对于多元合金系而言,由于合金溶质元素之间存在着相互作用,有些合金元素将促进另一些元素在晶界的偏聚[24～26]。在多合金系中(以最简单的三元合金系M-C-I情形为例),由于元素I的存在,溶质元素C在基体M晶界上的偏聚量可由下式给出Ycg/(1-Ycg)=[Ycb/(1-Ycb)][(△Gc0+αCIYIg)/T](2)其中△Gc=△Gc0+αCI,αCI是C和I之间在晶界的有效交互作用系数。Ycg、Ycb和YIg、Ylb分别是C和I在晶界和晶内的位...