非平衡晶界偏聚动力学和晶间脆性断裂:含拉伸力学性能测试不确定性机理
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作者徐庭栋
出版社科学出版社
ISBN9787030524119
出版时间2016-09
四部分类子部>艺术>书画
装帧平装
开本128开
定价99元
货号8947124
上书时间2024-12-29
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目录
再版前言
前言
第0章绪论
参考文献
章晶界的结构、性能以及平衡偏聚和脆性
1.1晶界的结构和性质
1.1.1概述
1.1.2结构
1.1.3能量
1.1.4强度
1.1.5晶界滞弹性弛豫
1.2平衡晶界偏聚
1.2.1概述
1.2.2理想二元系偏聚热力学——McLean热力学模型
1.2.3多元系偏聚热力学——Guttmann模型
1.2.4偏聚动力学——McLean动力学模型
1.3晶间脆性断裂
1.3.1钢的回火脆性的平衡偏聚机理
1.3.2金属与合金的中温脆性
参考文献
第2章临界时间：非平衡晶界偏聚的特征之一
2.1引言
2.2临界时间概念和解析表述
2.3实验证实
2.3.1硼偏聚的临界时间
2.3.2磷偏聚的临界时间
2.3.3硫偏聚的临界时间
2.3.4镍基高温合金中镁偏聚的临界时间
2.3.5Guttmann测量结果的启示
2.4临界时间计算
2.4.1临界时间与温度的关系
2.4.2复合体扩散的微观机制
2.4.3复合体扩散系数的实验测定
参考文献
第3章非平衡晶界偏聚热力学关系式
3.1热力学关系式
3.2基于热力学关系式的计算
3.2.1晶界偏聚浓度与温度差的关系——温差效应
3.2.2复合体结合能对偏聚浓度的影响
3.3热力学关系式的应用
参考文献
第4章非平衡晶界偏聚恒温动力学
4.1引言
4.2XuTingdong恒温动力学模型
4.2.1偏聚方程
4.2.2反偏聚方程
4.3钢中磷偏聚的实验证实
4.4表象扩散系数和恒温动力学计算
4.4.1表象扩散系数讨论
4.4.2恒温动力学计算
4.5偏聚峰温度及其移动
4.5.1恒温动力学图示
4.5.2实验证实和应用
参考文献
第5章连续冷却过程偏聚动力学和临界冷却速率
5.1引言
5.2连续冷却过程动力学
5.2.1等效时间方法
5.2.2修正因子法
5.3INCONEL718焊接热影响区微裂纹预报
5.4临界冷却速率
5.4.1临界冷却速率概念
5.4.2钢中Sn、B、S偏聚的临界冷却速率及其工程应用
5.5其他动力学分析和实验研究
5.5.1动力学分析
5.5.2实验研究
5.6修正因子推导
参考文献
第6章非平衡晶界共偏聚（NGCS）
6.1引言
6.2模型
6.2.1从Guttmann模型到非平衡共偏聚模型
6.2.2空位与溶质原子结合能
6.3模型与实验数据的比较
6.3.1钢中Ti和Sb，Ni的非平衡共偏聚
6.3.2钢中Cr和N的非平衡共偏聚
6.3.3钢中Mn和Sb的非平衡共偏聚
6.3.4钢中Ni和Sn的非平衡共偏聚计算和模拟
6.4非平衡晶界共偏聚的热力学表述及其意义
参考文献
第7章平衡偏聚和非平衡偏聚之间的关系
7.1实验方法
7.1.1实验合金和热处理
7.1.2PTA法探测硼和半定量分析
7.2概念
7.2.1最小偏聚温度
7.2.2转换温度
7.3应用
7.3.1INCONEL718合金中硼的最小偏聚温度
7.3.2钢中硼的最小偏聚温度及其对淬透性的影响
7.3.30.2%碳钢中硼偏聚的转换温度
参考文献
第8章晶间脆性的统一机理
8.1引言
8.2韧性恢复效应
8.2.1RTE
8.2.2ICE
8.2.3ITE
8.3脆性峰温度及其移动
8.3.1RTE
8.3.2ICE
8.3.3ITE
8.4脆性的温差效应
8.4.1RTE
8.4.2ICE
8.4.3ITE
8.5临界冷却速率对脆性的影响
8.6晶间脆性动力学
参考文献
第9章应力驱动晶界偏聚和贫化：弹性变形的微观理论
9.1引言
9.2实验现象和理论上遇到的困难
9.2.1实验现象
9.2.2理论解释的困难
9.3金属弹性变形的微观机制
9.3.1晶界区应力状态分析
9.3.2尺寸和能量分析
9.4晶界区弹性变形的平衡方程
9.4.1空位浓度方程
9.4.2溶质浓度方程
9.4.3晶界区弹性模量的实验测定
9.5弹性变形的动力学方程
9.5.1弹性变形的临界时间
9.5.2偏聚动力学方程
9.5.3贫化动力学方程
9.6动力学模拟
9.6.1钢中磷的偏聚及其实验证实
9.6.2钢中硫的偏聚
9.6.3钢中磷的贫化
9.7小结
参考文献
0章金属拉伸力学性能测试不确定性机理
10.1问题的提出
10.2测试不确定性实验现象
10.2.1中温脆性
10.2.2应变速率脆性
10.2.3纯金属的拉伸试验结果
10.3拉伸试验悖论
10.4测试不确定性的弹性变形机理
10.4.1拉伸试验过程的分析
10.4.2弹性变形的临界时间引起应变速率脆性
10.4.3弹性变形的偏聚峰温度引起中温脆性
10.4.4屈服强度的测试不确定性问题
10.5新拉伸试验技术体系框架的建议
10.5.1测试不确定性的启示
10.5.2新拉伸试验技术体系框架
10.6小结
参考文献
1章结束语
参考文献
内容摘要
第0章 绪论
大多数技术上重要的材料是多晶的， 它们由小晶体组合而成. 这些小晶体称为晶粒，是由网状的内界面将它们相互分开. 这些内界面称为晶界. 晶界是一个狭窄的区域， 大约只有几个原子直径的厚度. 晶界容易成为弱化或脆化区，材料发生断 裂时， 往往灾难性的沿晶界断裂. 这种断裂给社会造成的损失每年要上百亿美元. 比如，大尺寸工件断裂的例子有飞机机体、压力容器、核反应堆以及飞机汽车发动 机部件等. 对于小的工件来说，一个重要的例子是计算机电连线回路的断裂， 也往 往追溯到电连接线的沿晶界断裂. 这些连接线比人的头发丝还细， 计算机工作时会 达到很高的温度引起断裂.预报和控制这类断裂仍然是材料科学家和工程师当前面临的*急切和令人不安的挑战.Low (1963)已经指出， 这种断裂可以分为两大类: (a)晶界沉淀相引起的断裂和(b)溶质原子的晶界偏聚引起的断裂.Shen等(2007)研究发现， 由各种途径制备的纳米晶材料， 所表现出的反Hall-Petch关系(inverse Hall-Petch relationship)，是由于溶质的晶界偏聚引起的. 这一研究结果使溶质晶界偏聚研究与纳米材料的核心问题联系起来.
Naoya等(2004) 用像差(aberration) 修正的Z衬度扫描透射电子显微镜， 观察到搀杂的La原子偏聚到Si3N4晶界上的非晶区和晶化区的原子像(图0-1和图0-2). 这抢先发售实现了原子晶界偏聚的直接观察， 并且证明了La原子的晶界偏聚引起Si3N4晶粒拉长， 获得韧化了的微结构(Naoya et al.， 2004). 他们认为， 对于现在通过微观尺度结构设计改进陶瓷材料的力学性能而言， 这一发现代表了向下一代陶瓷所需要的原子水平的结构工程迈进了重要的一步(Naoya et al.， 2004). 这就是说， 溶质原子微偏聚到晶界上不但是引起沿晶界脆断的重要原因， 并且是改进材料性能的重要途径. 因此长期以来晶界微偏聚的研究一直是材料科学和工程中相当活跃的领域之一.
晶界微偏聚有两种类型: 平衡偏聚和非平衡偏聚. 平衡晶界偏聚是由于材料内部结构的不均匀性引起的. 由于晶界区相对于基体完整点阵在结构上不同， 原子排列在晶界的某些区域是无规则的， 有的晶界位置原子排列比较疏松， 有空隙存在，有的比较紧密. 这样使溶质原子在晶界上的某些位置的自由能低于基体点阵位置.因此， 这些溶质原子更易于处于晶界的位置， 使晶界浓度高于基体浓度， 并且对于一定温度， 溶质的晶界浓度是一定的， 称为平衡晶界偏聚. 材料只有在恒温时间趋于无限时， 才在扩散速率的控制下趋近晶界的平衡偏聚浓度.
图0-1 用高角度环形暗场透射电镜(HAADF-STEM)， 在晶间膜和β-Si3N4晶粒棱镜面之间 内界面上的原子成像(Naoya et al.，2004)
图 0-2 添加La 的β-Si3N4的晶间膜的原子分辨率的扫描透射电子显微镜成像(Naoya et al.，2004)
1957 年， 英国有名学者McLean (1957) 提出了平衡晶界偏聚的热力学和恒温动力学方程， 描述了平衡晶界偏聚发生的热力学条件和恒温动力学规律， 至今仍然作为平衡晶界偏聚的经典理论而被广泛应用.
1975年， 法国材料学家Guttmann (1975)为了解释合金元素对脆性杂质晶界偏聚的影响， 以及偏聚引起的工程材料沿晶界断裂的问题， 在多组元系统中发展了Fowler理论， 考虑两种偏聚组元之间发生的反应， 提出了一组方程描述不同溶质原子晶界共偏聚现象， 称为平衡共偏聚理论. 此理论指出由于两种溶质元素之间的相互吸引作用， 一种元素发生晶界偏聚可以促使另一种元素的晶界偏聚， 反之亦然.此理论成功地解释了某些合金元素对晶界脆性的影响.
1977年， 英国材料物理学家Seah(1977)以当时平衡晶界偏聚理论发展的*新成果， McLean平衡偏聚理论基础上， 提出某些晶界脆性， 尤其是可逆回火脆性， 是由脆性杂质原子平衡偏聚到晶界上引起的. 自此以后平衡晶界偏聚理论一直是理解可逆回火脆性以及其他类型晶界脆性的基础.
20世纪60年代后期， 加拿大的 Aust (Aust et al.，1968) 和美国的 Anthony(Anthony， 1969; Hanneman et al.，1969) 发现， 在淬火冷却过程中会引起溶质的晶界偏聚. 而且发现这种晶界偏聚不同于上述平衡晶界偏聚之处在于它的不稳定性，可以在充分退火过程中令其消失. 同时他们提出了如下后来被普遍接受的非平衡偏聚机理: 基体中的空位和溶质原子可以发生反应， 形成空位{溶质原子复合体. 像一般化学反应一样， 基体里的空位V、溶质原子I和两者形成的复合体C的浓度之间处于热力学平衡:
V + I = C (0-1)
当材料从固溶处理温度淬火冷却至某一低温， 然后在此低温恒温， 由于固溶处理温度对应的基体中空位的热平衡浓度， 高于低温对应的空位平衡浓度， 晶界附近基体里的空位将在淬火冷却过程和低温恒温过程消失于晶界， 以降低空位浓度. 晶界附近空位浓度的降低破坏了上述平衡， 使晶界附近复合体分解为空位和溶质原子， 使复合体浓度降低. 这样就产生了晶界附近和远离晶界区之间的复合体浓度梯度， 此梯度驱动复合体自晶内扩散至晶界， 引起超过晶界平衡浓度的溶质原子富集在晶界区， 形成溶质非平衡晶界偏聚.
1972年， 英国学者Williams等(Williams，1972;Williams et al.， 1976) 用中子活化的方法 (particle tracking autoradiography，PTA)， 直接观察到硼在晶界的偏聚，确证了溶质非平衡晶界偏聚现象的存在. 自此开始， 靠前上许多学者参与了非平衡晶界偏聚的研究， 成为材料科学和工程的一个研究热点， 也取得了巨大的进展. 从研究的深度上讲， 已逐步建立了非平衡晶界偏聚的热力学和动力学理论 (Xu et al.，2004a; Xu， 1987; Xu et al.，1989); 非平衡共偏聚理论(Xu et al.， 2004a; Xu， 1997)，平衡偏聚和非平衡偏聚关系的理论模型 (Xu et al.，2004a;Xu et al.，1990); 从研究的广度上讲， 发现了更多的元素， 如P， S， Sb， Sn， Cr， Ti， Al 等元素均有非平衡偏聚特征(Li et al.，2002; Faulkner，1981，1987，1989;Vorlicek et al.，1994; Yuan et al.，2003; Doig et al.，1981，1987; Misra et al.，1989)， 而且发现了作用应力以及高能粒子辐照也会产生非平衡晶界偏聚 (Rehn et al.，1983; Faulkner et al.，1996a; Shinoda et al.，1981); 近年来， 作用应力引起的非平衡偏聚发展为金属弹性变形的微观理论体系(Xu， 2003， 2007)， 并分别提出了非平衡偏聚和弹性变形引起的偏聚峰温度和峰温度移动的概念 (Xu et al.， 2013; Xu，2016).从理论应用上讲， 非平衡偏聚理论已用于可逆回火脆性机理的研究， 并提出了晶界脆性的非平衡偏聚机理， 是对回火脆性的平衡晶界偏聚机理的重要突破和补充 (Xu， 1999 a，b)， 并开始用于预报材料的晶界脆性问题 (Sevc， 1995; Chen，2001). 在此基础上， 近年来提出了三种晶间脆性的普适机理 (Xu et al.，2013; Xu， 2016)， 包括钢的回火脆性， 不锈钢的晶间腐蚀脆性和金属与合金普遍存在的中温脆性. 这三种晶界脆性的发生机理， 已经是存在一百多年的科学难题. 金属弹性变形的微观理论， 用于分析拉伸试验过程和结果， 给出了**个拉伸力学性能测试不确定性机理， 揭示出对于大多数含有杂质或溶质的金属， 用现行拉伸试验技术， 都没能测试到被测金属拉伸前的力学性能， 普遍地造成误判 (徐庭栋等， 2014;Xu et al.，2015; Xu，2016). 经过国内外学者30多年的努力， 现在非平衡晶界偏聚领域的理论完备程度， 已从总体上达到或超过平衡晶界偏聚的理论水平. 值得指出的是， 在此领域近30多年的发展过程中， 我国学者的研究工作起着重要的作用.
本书将集中讨论热循环引起的和应力作用引起的非平衡晶界偏聚， 金属弹性变形的微观理论， 至于高能粒子辐照引起的非平衡晶界偏聚， 因为已有Rehn和Okamoto(Rehn et al.， 1983)以及Faulkner 等(1996b)著作的详细评述， 本书不包括这部分内容. 全书分12章，第0和**1章分别是引言和总结.**章综述晶界结构， 性能和平衡晶界偏聚的基本知识， 为本书的论述重点||非平衡晶界偏聚动力学和弹性变形的微观理论， 提供背景材料. 因此已熟悉这部分内容的读者可以不读这部分内容. 在第2至5章将集中讨论热循环引起的非平衡晶界偏聚动力学， 其中包括临界时间概念和公式(Xu，1988; Song et al.， 1989); 热力学和恒温动力学方程(Xu， 1987，1988; Xu et al.，1989); 连续冷却过程动力学(Xu et al.，1989); 临界冷却速率概念等(Xu， 1989; Song et al.，1989); 作为动力学计算和图示， 给出了偏聚峰温度及其移动的概念(Xu， 2016). 同时， 讨论了这些新概念、新理论模型在分析试验结果和材料科学和工程问题上的应用. 第6 章讨论了非平衡共偏聚概念、它的热力学解析表述和实验证实(Xu，1997;Zheng et al.，2005). 第7章讨论了平衡偏聚和非平衡偏聚的关系， 通过实验发现*小偏聚温度和转换温度概念， 并讨论了这两个概念在解决钢和合金的热处理工程问题上的应用(Huang et al.，1997; Taylor，1992).在第8章中， 给出三种晶间脆性的普适机理 (Xu et al.，2013)， 讨论了由于杂质的晶界偏聚引起的晶界脆化， 包括钢的可逆回火脆性， 不锈钢的晶间腐蚀脆性和金属与合金的中温低塑性， 并着重叙述这一新机理如何解释原来平衡晶界偏聚不能解释的若干晶界脆性的经典性实验结果(Zhang et al.，2000; Xu et al.，2009; Wang et al.，2009). 第9章给出了金属弹性变形的微观理论， 包括弹性变形引起的晶界偏聚或贫化理论模型 (Xu， 2000， 2002)， 弹性变形的临界时间(Xu， 2002)， 平衡方程和动力学方程 (Xu， 2003 a b; Xu et al.， 2004a; Xu et al.， 2004b; 徐庭栋，2003; Xu，2007)，弹性变形的偏聚峰温度及其移动 (Xu et
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