基于ebsd的白銅b10合金晶界網(wǎng)絡(luò)分析

基于ebsd的白銅b10合金晶界網(wǎng)絡(luò)分析

大多數(shù)設(shè)計(jì)使用的建筑材料都是多晶體材料。晶界相對(duì)于晶粒內(nèi)部來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)有序性差,具有更大的自由體積,更高的自由能,因此,晶界對(duì)材料的多種性能都有很大影響。KRONBERG等于1949年提出局部原子回旋再結(jié)晶成核的模型,從定向成核的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明再結(jié)晶織構(gòu)與加工織構(gòu)取向間的關(guān)系,這種取向關(guān)系可以構(gòu)成特殊的重位點(diǎn)陣(CSL)晶界。重位點(diǎn)陣晶界常用ΣnCSL晶界表示,其中n表示兩個(gè)晶粒點(diǎn)陣構(gòu)成的超點(diǎn)陣中有1/n的點(diǎn)陣位置相互重合。低ΣCSL晶界具有特殊的結(jié)構(gòu)和性能,如抗晶界偏聚、抗晶間腐蝕、抗晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、抗蠕變等。1984年,WATANABE提出“晶界設(shè)計(jì)”(Grainboundarydesign)的概念,其目的就是控制金屬的晶界特征分布,增加低ΣCSL晶界的比例,從而改善其與晶界相關(guān)的性能。這一概念隨后被PALUMBO等發(fā)展成為“晶界工程”(Grainboundaryengineering,GBE)的研究領(lǐng)域,即通過(guò)適當(dāng)?shù)睦浼庸ぷ冃?并控制再結(jié)晶過(guò)程中熱處理工藝參數(shù),達(dá)到調(diào)整晶界特征分布的目的,從而提高材料與晶界有關(guān)的性能。晶界工程技術(shù)能夠應(yīng)用于多種低層錯(cuò)能面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料,如奧氏體不銹鋼、鎳及其合金、鉛及其合金、銅及其合金等。白銅是以鎳為主要添加元素的銅基合金,具有低層錯(cuò)能面心立方結(jié)構(gòu),銅鎳之間可無(wú)限固溶,形成連續(xù)固溶體。白銅BFe10-1-1(簡(jiǎn)稱白銅B10合金),由于其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和較好的加工性能、中等以上的強(qiáng)度等,因此,作為換熱器冷凝管被廣泛用于火力發(fā)電、核電、造船、海水淡化和海洋工程等行業(yè)。在火電行業(yè),白銅冷凝管的腐蝕問(wèn)題一直沒(méi)有得到徹底解決。作為發(fā)電機(jī)組的重要構(gòu)件,其腐蝕泄漏是影響發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的一大問(wèn)題。它不僅會(huì)帶來(lái)?yè)Q管損失和停機(jī)損失,而且換管過(guò)程還可能會(huì)進(jìn)一步污染水質(zhì),加速剩余白銅冷凝管的進(jìn)一步腐蝕。本文作者借助EBSD技術(shù)研究形變及熱處理工藝對(duì)白銅合金晶界特征分布的影響,得出控制白銅合金晶界特征分布的工藝,為通過(guò)晶界工程技術(shù)提高白銅B10合金的耐腐蝕性能提供可能的處理方法。1樣品制備和檢測(cè)本實(shí)驗(yàn)用材料為白銅B10合金,化學(xué)成分見(jiàn)表1。首先對(duì)原材料進(jìn)行50%的冷軋變形,并在800℃下保溫10min后水淬,獲得本實(shí)驗(yàn)的始態(tài)樣品。然后對(duì)始態(tài)樣品分別進(jìn)行3%、5%、7%、10%、20%和50%的冷軋變形,在800℃保溫10min后進(jìn)行水淬,得到樣品S1、S2、S3、S4、S5和S6。樣品制備工藝如表2所示。樣品經(jīng)過(guò)金相砂紙預(yù)磨后進(jìn)行電解拋光,制備出適合EBSD檢測(cè)的樣品。電解液成分(體積分?jǐn)?shù)):25%H3PO4+25%C2H5OH+50%H2O,拋光電壓為直流26V,時(shí)間約為120s。在相同電解液中進(jìn)行電解蝕刻后進(jìn)行金相觀察,蝕刻電壓為直流6V,時(shí)間約為10s,用于金相觀察。采用KEYENCE-VHX數(shù)碼顯微鏡對(duì)樣品表面進(jìn)行金相照片的拍攝。采用配備在CamScanApollo300型熱場(chǎng)發(fā)射槍掃描電子顯微鏡上的Oxford/HKL-EBSD系統(tǒng)對(duì)樣品表面選定微區(qū)進(jìn)行EBSD測(cè)試,并采用Channel5數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行取向分析。采用Brandon標(biāo)準(zhǔn)(Δθmax=15°Σ-1/2)對(duì)CSL晶界類(lèi)型進(jìn)行判定,不同類(lèi)型的晶界百分比例均為晶界長(zhǎng)度百分比例。2晶粒團(tuán)簇顯微組織圖1所示為白銅B10合金始態(tài)樣品的金相照片、不同類(lèi)型晶界圖、樣品表面取向分布(IPF)圖和(001)/(110)極圖。利用Channel5軟件對(duì)始態(tài)樣品的晶界特征分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),低ΣCSL的比例為53.2%,其中Σ3為46.6%,Σ9+Σ27為3.5%,其他低ΣCSL晶界比例為3.1%。利用等效圓直徑法統(tǒng)計(jì)該樣品的平均晶粒尺寸,如果將孿晶算為晶粒,那么晶粒平均尺寸為11.45μm;如果不將孿晶算為晶粒,那么晶粒平均尺寸為26.01μm。從(001)極圖和(110)極圖來(lái)看,材料有弱的(110)織構(gòu),15°偏差范圍內(nèi)的織構(gòu)含量為9.8%。經(jīng)過(guò)不同工藝的形變及退火處理得到樣品S1~S6,并進(jìn)行EBSD測(cè)定。圖2(a)~(f)分別為樣品S1~S6的不同類(lèi)型晶界圖。由圖2可知,樣品S1~S6的晶界網(wǎng)絡(luò)有明顯差異,樣品S2~S5含有較高比例的孿晶界,構(gòu)成大尺寸的晶粒團(tuán)簇,尤其是樣品S3,而樣品S1和S6的孿晶界含量明顯較低。出現(xiàn)高比例的孿晶及其相關(guān)界面和大尺寸晶粒團(tuán)簇是GBE處理后顯微組織的重要特征,圖2(c)中的陰影區(qū)域M就是一個(gè)晶粒團(tuán)簇。團(tuán)簇內(nèi)部的晶界基本上全是Σ3、Σ9和Σ27類(lèi)型晶界,邊界全是隨機(jī)晶界。對(duì)晶粒團(tuán)簇M進(jìn)行分析,如圖3所示。該晶粒團(tuán)簇的等效圓直徑約為300μm,包含88個(gè)晶粒,從中隨機(jī)選取8個(gè)較大晶粒,對(duì)它們互相之間的取向關(guān)系進(jìn)行分析,如表3所列。由此可以得出,晶粒團(tuán)簇內(nèi)任意兩個(gè)晶粒之間互有Σ3n取向關(guān)系,無(wú)論它們是否相鄰,這種互有Σ3n(n=1,2,3,…)取向關(guān)系的晶粒在團(tuán)簇內(nèi)部構(gòu)成了大量的Σ3n類(lèi)型的三叉界角(Triplejunction),如Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等。這種大尺寸的晶粒團(tuán)簇顯微組織是GBE處理提高材料的耐腐蝕性能的原因。下面對(duì)樣品S1-S6的晶界網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì),包括晶界特征分布、平均晶粒尺寸和晶粒團(tuán)簇平均尺寸。圖4(a)所示為樣品S1~S6不同類(lèi)型晶界比例?？梢?jiàn),S2~S5樣品中形成了高比例的低ΣCSL晶界,明顯高于始態(tài)樣品的低ΣCSL晶界比例,尤其是樣品S3的低ΣCSL晶界比例接近80%,達(dá)到了明顯的GBE處理效果;而樣品S1和S6的低ΣCSL晶界比例與始態(tài)樣品基本相當(dāng),沒(méi)有達(dá)到GBE處理的效果。圖4(b)所示為各樣品的平均晶粒尺寸和晶粒團(tuán)簇平均尺寸,隨GBE處理過(guò)程中的形變量變化趨勢(shì)與低ΣCSL晶界比例的變化趨勢(shì)相似。與始態(tài)樣品相比,晶粒尺寸和晶粒團(tuán)簇尺寸都有顯著增加,尤其是晶粒團(tuán)簇尺寸,其中樣品S3中的晶粒團(tuán)簇尺寸平均約為80μm。GBE處理后樣品的晶界網(wǎng)絡(luò)中,含有的大尺寸晶粒團(tuán)簇是通過(guò)再結(jié)晶過(guò)程形成的,退火時(shí)再結(jié)晶晶核長(zhǎng)大過(guò)程中發(fā)生多重孿晶(Multipletwinning),依次形成了一代孿晶、二代孿晶、三代孿晶和更高代次的孿晶,構(gòu)成孿晶鏈(Twinchain),從而構(gòu)成一個(gè)晶粒團(tuán)簇。整個(gè)晶粒團(tuán)簇由一個(gè)再結(jié)晶晶核通過(guò)多重孿晶形成,從晶粒團(tuán)簇內(nèi)部的晶粒產(chǎn)生過(guò)程可以看出,它們都與初始的再結(jié)晶晶核符合Σ3n的取向關(guān)系,從而晶粒團(tuán)簇內(nèi)部任意兩個(gè)晶粒之間都具有Σ3n的取向關(guān)系。晶粒團(tuán)簇長(zhǎng)大過(guò)程中發(fā)生多重孿晶,形成Σ3n(n=1,2,3,…)類(lèi)型晶界,這是GBE處理后產(chǎn)生高比例低ΣCSL晶界的主要原因。因此,形成大尺寸的“互有Σ3n(n=1,2,3,…)取向關(guān)系晶粒的團(tuán)簇”后,樣品的低ΣCSL晶界比例才會(huì)明顯提高。GBE處理過(guò)程中,形變量越大的樣品在隨后的退火過(guò)程中再結(jié)晶形核密度就越高,可供晶核長(zhǎng)大的潛在空間就越小,晶粒團(tuán)簇尺寸就越小,不利于形成高比例的低ΣCSL晶界。因此,隨GBE處理過(guò)程中的形變量增大,處理后樣品S3~S6的低ΣCSL晶界比例降低。而樣品S1和S2的低ΣCSL晶界比例反而比樣品S3的低,原因是3%與5%的變形量太小,沒(méi)有產(chǎn)生足夠的形變儲(chǔ)能,在隨后的退火過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生再結(jié)晶或者沒(méi)有完全再結(jié)晶。圖4(a)中樣品S1~S3,Σ1晶界(小角晶界,取向差2°~15°之間)比例隨著冷軋變形量的增加而降低,說(shuō)明樣品S1和S2沒(méi)有發(fā)生或沒(méi)有完成再結(jié)晶。因此,GBE處理過(guò)程中需要合適的形變量,才能在隨后的退火過(guò)程中形成高比例的低ΣCSL晶界。Σ9和Σ27晶界是晶粒團(tuán)簇長(zhǎng)大過(guò)程中發(fā)生多重孿晶現(xiàn)象時(shí)形成的,因此,Σ9和Σ27晶界比例之和,與Σ3晶界比例變化趨勢(shì)相似,如圖4(a)所示。低ΣCSL晶界中基本上全是Σ3n晶界,其中,Σ3晶界占絕大多數(shù),因此,總體低ΣCSL晶界比例也與樣品的Σ3晶界比例變化趨勢(shì)相同,在樣品S3(冷軋變形量7%)處出現(xiàn)最大值,達(dá)到76.81%。從圖4(b)中可以看出,平均晶粒尺寸和晶粒團(tuán)簇平均尺寸同樣隨著冷軋壓下量從3%逐漸增加,先增大,后減小,在樣品S3(冷軋壓下量7%)處出現(xiàn)最大值,分別為16.20μm和80.49μm。這說(shuō)明,7%冷軋變形是本實(shí)驗(yàn)條件下GBE處理時(shí)的合適變形量。樣品的低ΣCSL晶界比例與樣品的晶粒團(tuán)簇平均尺寸D和平均晶粒尺寸d之比的平方(D/d)2成正相關(guān)關(guān)系,如圖5所示。因此,雖然平均晶粒尺寸和晶粒團(tuán)簇平均尺寸的變化趨勢(shì)相同,均在S3處達(dá)到最大值,但是平均晶粒尺寸變化幅度比晶粒團(tuán)簇平均尺寸的變化幅度小得多,樣品S3的晶粒團(tuán)簇平均尺寸明顯比其他樣品的大,使得樣品S3具有最高比例的低ΣCSL晶界和最大的晶粒團(tuán)簇平均尺寸,形變量過(guò)大和過(guò)小都不利于獲得好的GBE處理效果。3變形-熱處理工藝1)固溶處理后的白銅B10合金,經(jīng)過(guò)冷軋變形7%和800℃保溫10min退火處理,可以將低ΣCSL晶界比例提高到75%以上,同時(shí)形成大尺寸的“互有Σ3n取向關(guān)系晶粒的團(tuán)簇”,并獲得了最佳的“形變-熱處理”工藝,為提高白銅B10