Ni_3Al合金硼原子占位及晶界偏聚
非平衡晶界偏聚和晶间脆性断裂的研究.pdf
" 卷 ! 第 # 期 !# $ $ "年#月 ! 第!
非平衡晶界偏聚和晶间脆性断裂的研究 "
徐庭栋
钢铁研究总院 高温材料研究所 ! 北京 ! " " " # !
摘要 !! 扼要介绍作者近 $ " 年来在非平衡晶界偏聚和晶间脆性 断裂理 论研 究方面 的进展 ! 涉 及作 者所提出的若干新概念 & 新模型的内容和理论意义 ! 以及这些研究工作的科学背景 ; 关键词 !! 晶界 ! 空位 ! 偏聚 ! 脆性 某一时刻相互平 衡 " 相 等$ 时! 晶 界 偏 聚 浓 度 将 达 到 极大值 ! 超过此时 间 ! 偏 聚 浓 度 将 随 恒 温 时 间 的 延 长而降低 ! 此恒 温 时 间 称 为 临 界 时 间1 <;这 是 非 平
’ ! % 的符合 ! 证实钢中 磷发 生 了 非 平 衡 晶 界 偏 聚& ;他
们进一步指出 # 徐庭栋的模型和 = < B 5 1 6 的模型分别
’ ! % 是描 述 非 平 衡 偏 聚 和 平 衡 偏 聚 的 有 效 理 论& ;
, U 1 \ G H _ 5 Z 2等也用 上述公 式 计 算 ? A , I A / B’ ! #合金
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硼向奥氏晶界的扩散机制
硼在金属中的扩散问题是金属材料研究中的一 部分源于晶界领域的“贫硼区”. 随着晶界偏析的硼
个热门话题 ,由扩散导致的硼向奥氏体晶界的非平 增多晶界邻域的贫硼区宽度增大 ,这两者同时随淬
衡偏聚会对淬火钢的综合机械性能产生一系列的影 火加热温度升高和冷却速度的降低而增加 ,在晶界
响. 硼在淬火时向奥氏体晶界的偏聚是一种在冷却 形成连续的偏聚带进而发展成为不连续的聚集状
(11)
其中 n 是 ( a , b) 区间划分的份数 , b
n
a
=
h 是每个
梯形的高 , yi 是不同 x 处的 f ( x) 值.
在本问题中 , b -
a
=
t
-
0
=
t, b
Байду номын сангаас
n
a
=
t n
=
Δt ,
τ=
( xi ) 2 2. 80
=
D0 2tn〔y0
+
2 y1 + …… + 2 yn- 1 + yn〕,
设晶粒比较大而贫硼区的尺寸与晶粒的尺寸相
比小得多时 ,从而可以把扩散过程的一侧视为无限 ,
取 x = 0 处 C = 0 是把晶界设想为这种扩散原子团
的无限势阱 ,它可以不断地向晶界迁移 ,导致硼原子
在晶界的富集. 对于硼原子团的扩散过程 ,其扩散方程可以表
示为
1 D ( t)
9C 9t
=
92 C 9x2
.
(4)
利用式 (1) ,将 T 换成 t ,则 D = D ( t) ,作变量替
换 ,令 dτ = D ( t) d t ,有
∫ ∫ t
钕铁硼晶界渗透技术
钕铁硼晶界渗透技术
钕铁硼磁体的性能主要受晶界的影响，晶界的特性和结构对磁
体的磁性能有重要影响。
晶界渗透技术是通过在晶界处引入其他元
素或化合物，改善晶界的结构和性能，从而提高磁体的性能。
这种
技术可以改善磁体的矫顽力、磁能积和抗腐蚀性能，使其更适合在
高温、高湿度等恶劣条件下使用。
晶界渗透技术可以通过多种方法实现，包括氮化、碳化、硼化
等渗透处理，以及利用金属、合金等材料在晶界处形成保护膜等方式。
这些方法可以改善钕铁硼磁体的晶界结构，减少晶界的磁阻和
磁滞，提高磁体的磁导率和磁化曲线的线性度，从而提高磁体的整
体性能。
此外，晶界渗透技术还可以改善钕铁硼磁体的热稳定性和抗氧
化性能，延长其使用寿命。
这对于一些特殊环境下的应用非常重要，比如航空航天领域和高温高湿度环境下的电机应用等。
总的来说，钕铁硼晶界渗透技术是一种重要的提高钕铁硼磁体
性能的方法，通过改善晶界结构和性能，可以显著提高磁体的磁性
能、热稳定性和抗腐蚀性能，拓展了钕铁硼磁体的应用领域和使用范围。
金属间化合物资料讲解
1、什么是金属间化合物，性能特征？答：金属间化合物：金属与金属或金属与类金属之间所形成的化合物。
由两个或多个的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合物。
金属间化合物的性能特点：力学性能：高硬度、高熔点、高的抗蠕变性能、低塑性等；良好的抗氧化性；特殊的物理化学性质：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料、磁性材料等等。
2、含有金属间化合物的二元相图类型及各自特点？答：熔解式金属间化合物相：在相图上有明显的熔化温度，并生成成分相同的液相。
通常具有共晶反应或包晶反应。
化合物的熔点往往高于纯组元。
分解式金属间化合物相：在相图上没有明显的熔解温度，当温度达到分解温度时发生分解反应，即β＜＝＞L+α。
常见的是由包晶反应先生成的。
化合物的熔点没有出现。
固态生成金属间化合物相：通过有序化转变得到的有序相。
经常发生在一定的成分区间和较无序相低的温度范围。
通过固态相变而形成的金属间化合物相，可以有包析和共析两种不同的固态相变。
3、金属间化合物的溶解度规律特点？答：（1）由于金属间化合物的组元是有序分布的，组成元素各自组成自己的亚点阵。
固溶元素可以只取代某一个组成元素，占据该元素的亚点阵位置，也可以分布在不同亚点阵之间，这导致溶解度的有限性。
（2）金属间化合物固溶合金元素时有可能产生不同的缺陷，称为组成缺陷（空位或反位原子）。
但M元素取代化合物中A或B时，A和B两个亚点阵中的原子数产生不匹配，就会产生组成空位或组成反位原子（即占领别的亚点阵位置）。
（3）金属间化合物的结合键性及晶体结构不同于其组元，影响溶解度，多为有限溶解，甚至不溶。
表现为线性化合物。
（4）当第三组元在金属间化合物中溶解度较大时，第三组元不仅可能无序取代组成元素，随机分布在亚点阵内，而且第三组元可以从无序分布逐步向有序化变化，甚至生成三元化合物。
4、金属间化合物的结构类型及分类方法？（未完）答：第一种分类方法：按照晶体结构分类（几何密排相（GCP相）和拓扑密排相（TCP相））。
考虑晶粒随机取向的NiAl双晶薄膜晶界的数值模拟
考虑晶粒随机取向的NiAl双晶薄膜晶界的数值模拟摘要：采用CSL几何模型理论建立NiAl双晶模型，开展多种晶粒取向的NiAl双晶薄膜晶界的数值模拟，研究晶粒取向对晶界结构和晶界能的影响规律。
晶界结构分析表明，E、E'和D是构成晶界核心的基本结构单元，晶界长度和自由体积在描述晶界上是两个独立的量，晶界长度和晶界平面法向指数有着直接的相关性。
晶界能研究表明，晶界能的谷点出现在，自由体积和特殊结构单元的存在对晶界能有显著的影响。
关键词：NiAl双晶薄膜；晶界结构；晶界能；晶粒取向引言NiAl是一种金属间化合物，作为一种高温结构材料，被广泛应用于航空航天等大型工程领域。
然而，大量的理论[1]和实验[2]研究发现NiAl具有严重的室温脆性。
为了弄清NiAl室温脆性的本质，国内外许多学者以多晶NiAl为研究对象开展了大量的工作。
近年来，人们的主要工作是通过实验手段研究多晶NiAl的脆性破坏[2]，分析过早破坏的原因，然后采取添加合金元素的办法提高其力学性能。
为了减少实验工作量、降低实验的盲目性，节省材料和人工消耗，采用数值模拟方法研究多晶NiAl晶界结构、性质和能量具有非常重要的意义。
1990年，Petton和Farkas[3]采用分子静力学(Molecular Statics,MS)方法计算了和两种特定晶粒取向的晶界结构和能量，但未考虑晶粒取向随机性的影响。
本文采用重位点阵模型理论(Coincidence Site Lattice,CSL)[4]建立NiAl双晶薄膜几何模型，利用分子静力学和能量最小化算法对多种晶粒取向的结构体系进行弛豫，研究晶粒取向对晶界结构和能量的影响规律。
NiAl双晶薄膜几何模型图1是通过CSL几何模型理论建立的截面形状为矩形的NiAl双晶薄膜初始几何结构模型。
考虑晶界在弛豫过程中沿着晶界面法向方向的体积膨胀，将上下晶粒沿着界面法向相对移动2Å。
不同晶粒取向对应的模型在y和z方向的尺寸均取10 和100 ( 为NiAl晶格常数)。
ni基高温合金 组织
ni基高温合金组织
Ni基高温合金是一种由镍为基础元素的高温合金，在高温环境下具有优异的耐高温性能和抗氧化能力。
其组织结构主要由固溶体、析出相和晶粒界组织组成。
1. 固溶体：固溶体是指合金中不形成独立相的固溶体溶解的元素。
在Ni基高温合金中，通常添加的铬、钼、钨等元素能够固溶在镍基体中形成固溶体。
固溶体的形成可以提高合金的强度和塑性，并改善其高温下的力学性能。
2. 析出相：除了固溶体外，Ni基高温合金还会在高温下形成亚稳相或稳定相的析出相。
析出相能够提高合金的高温强度和耐蠕变性能。
常见的析出相有γ'相、γ''相和γ' + γ''双相。
- γ'相：一般指富铝（或钛）的Ni3Al（或Ni3Ti）相，其具有良好的高温强度和耐氧化性能，是Ni基高温合金中最重要的强化相。
γ'相的形成可以通过时效处理来实现。
- γ''相：一般是指富钛（或钽）的Ni3Ti（或Ni3Ta）相。
γ''相具有较高的弥散强化效果，可以改善合金的高温力学性能和蠕变性能。
3. 晶粒界组织：晶粒界是指相邻晶粒之间的边界区域。
在高温合金中，晶粒界是强迫位错和析出相的富集区域，它对合金的强度和韧性具有重要影响。
合金的晶粒界组织通常由黏土状氧化物、硫元素等组成。
综上所述，Ni基高温合金的组织结构包括固溶体、析出相和晶粒界组织。
这些组织的形成和相互作用决定了合金的高温力学性能和抗氧化能力。
Ni3Al-Ni3V合金的室温摩擦磨损性能
Material Sciences 材料科学, 2020, 10(8), 609-618Published Online August 2020 in Hans. /journal/mshttps:///10.12677/ms.2020.108074Friction and Wear Properties of Ni3Al-Ni3VAlloy at Room TemperatureWei Xie, Zhensheng Wang*, Haixing Li, Yijie YiEngineering Research Center of Advanced Mining Equipment, Ministry of Education, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan HunanReceived: Jul. 30th, 2020; accepted: Aug. 13th, 2020; published: Aug. 20th, 2020AbstractTo study the wear mechanism of Ni3Al-Ni3V alloy at room temperature, the Ni3Al-Ni3V alloy with different microstructure was prepared by solid solution aging and carburizing process. The wear properties at room temperature were tested by reciprocating wear testing machine. The experi-mental results show that Ni3Al-Ni3V alloy consists of a soft Ni3Al phase and a hard Ni3Al + Ni3V composite phase. After the carburization, a carbonized la yer with a thickness of about 4 μm and a Ni-rich phase transition layer of about 6 μm are formed on the surface of the Ni3Al-Ni3V alloy. They form a wear-resistant layer, which is densely bonded and well bonded to the matrix alloy, thereby improving the friction and wear properties of the alloy. In terms of wear mechanism, the soft Ni3Al phase leads to the wear environment embrittlement of Ni3Al-Ni3V alloy and the critical content of Al is 5.53 at.%. As the load and sliding speed increase, the wear mechanism of the solid solution Ni3Al-Ni3V alloy changes from abrasive wear and environment embrittlement to adhesive wear.The carburized Ni3Al-Ni3V alloy also undergoes environmental brittleness after its carbonized layer and Ni-rich phase transition layer are gradually worn away.KeywordsNi3Al-Ni3v Alloy, Friction Coefficient, Wear Rate, Environmental Embrittlement,Wear MechanismNi3Al-Ni3V合金的室温摩擦磨损性能谢威，王振生*，李海星，易轶杰湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心，湖南湘潭收稿日期：2020年7月30日；录用日期：2020年8月13日；发布日期：2020年8月20日*通讯作者。
物理冶金原理：6-晶界与相界
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
对力学性能影响较大 但对电性能影响小
沉淀强化：位错切割共格粒子
Precipitation Strengthening: Particle-Cutting
• 强化效果取决于粒子的本性！
沉淀析出第二相粒子的强化效果及 强化机制与粒子尺寸的关系：
Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles
降低原子扩散速率 阻碍位错运动与交滑移 阻碍晶界滑移与迁移 阻碍晶粒长大
金属材料的高温蠕变
Service Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet Engine
Turbofan GP7000 for Airbus 380
Hostile Service Conditions of Turbine Blades in Jet Engines
对称倾侧小角晶界HREM照片 （高分辨透射电子显微照片）
小角度晶界与亚晶
Small Angle Grain Boundaries and Subgrains
扭转小角度晶界：由两列柏氏矢量
互相垂直的螺位错组成（螺位错网） Twist Small Angle Grain Boundaries