具有失稳分解强化的Hall-Petch关系重点

收稿日期:2001-05-11

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59671012)·作者简介:郝新江(1975-),男,河南禹州人,东北大学博士研究生;郝士明(1938-),男,吉林白城人,东北大学教授,博士生导师·

2002年2月第23卷第2期东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Feb .2002

Vol .23,No .2

文章编号:1005-3026(2002)02-0137-04

具有失稳分解强化的Hall -Petch 关系

郝新江,刘慧卿,郝士明,李洪晓

(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳　110004)

摘　　　要:对Cu -30Ni -25F e 合金,采用变形和热处理的方法获得了不同的晶粒度和失稳分解组织,研究了失稳分解相界对Hall -Petch 关系的影响·结果表明,合金发生失稳分解后,其硬度和晶粒

直径的关系仍符合Hall -Petch 关系式·在各种晶粒度下失稳分解后的硬度均大于固溶态,但当分解后的两相尺寸与晶粒尺寸相比约小两个数量级时,失稳分解的相界强化作用消失·失稳分解组织的细晶硬化系数K HV 值明显低于固溶态,且随失稳分解强化作用的增大而降低,这反映了失稳分解后合金的强度对晶粒大小的敏感程度降低·

关　键　词:失稳分解;Hall -Petch 关系;相界强化;Cu -N i -Fe 合金;合金强度;合金硬度;晶粒尺寸;细晶硬化系数中图分类号:TG 113.2　　　文献标识码:A

晶界作为晶体材料内部的一种面缺陷,明显地影响着材料的力学性能和物理化学性能,长期以来一直受到广泛的关注·通过减小晶粒尺寸可

以显著地提高材料的强度而不损害韧性和塑性,因此细晶强化是材料强化的最主要的手段之一[1～3]·单相材料的强度与晶粒尺寸的关系可由著名的Hall -Petch 经验公式给予很好的描述,即强度与晶粒直径的平方根的倒数成正比[4]

·失稳分解是通过成分的长程调幅,单相固溶体分解为结构相同成分不同的双相组织[5,6]·失稳分解后,在晶粒内部形成共格或半共格的相界·到目前为止,关于失稳分解相界对晶界强化关系式Hall -Petch 公式的影响鲜有报道·本研究以失稳分解后可获得等体积分数双相的Cu -30Ni -25Fe 合金为研究对象,采用变形和热处理的方法使合金获得了很宽的晶粒度范围,研究了失稳分解相界对Hall -Petch 公式的影响·

1　试验方法

实验合金的原料为高纯铁(99.9%)、电解铜(99.95%)和电解镍(99.9%),采用ZG -10型真空感应电炉,在氩气保护下熔炼并铸锭,锭重5kg ·合金成分是Cu -30Ni -25Fe (x /%),高温可实现FCC 结构单相化,低温又处于失稳分解区,且失稳分解

后的两相体积分数约各占50%[3]

·

沿铸锭纵向取横截面为20mm ×20mm 的条形坯料·坯料的固溶处理是在1000℃保温8h 并随炉升温至1100℃保温48h 后水淬·固溶处理后的坯料首先冷轧变形94%,然后用线切割的方法得到小块试样·试样在不同温度保温不同时间以使其发生再结晶转变和晶粒长大,然后水淬,共获得了5种不同的晶粒尺寸·再将试样分为三组,第一组在600℃时效24h ,第二组在900℃时效5h ,第三组不再时效·试样的固溶处理及时效处理均在真空下进行,真空度约为1Pa ·

硬度试验是用HVA -10A 型小负荷维氏硬度计测定的,载荷50N ,保压时间为10s ·研磨抛光后的金相样品用50HNO 3+25CH 3COOH +25H 2O (ml )腐刻后,用Versamet -2显微镜和PHILIPS -XL30(FEG )扫描电镜观察显微组织·用离子减薄方法制作薄膜,在EM400T 透射电镜上观察微观结构·晶粒直径的测量是在光学显微镜下采用Heyn 截线法进行的,测量的晶粒数目不少于200个,算得的晶粒直径误差小于5%·

2　实验结果与讨论

2.1　晶粒尺寸及组织的控制

Cu -30Ni -25Fe 合金在950℃以上处于γ单

具有失稳分解强化的Hall-Petch关系重点

相区,在950℃以下将发生失稳分解[7]·为了控制晶粒尺寸,94%冷轧变形后的试样,在950℃以上的单相区进行再结晶处理,然后采用水淬的方法抑制失稳分解的发生,以获得单相的过饱和固溶体·再结晶处理制度和晶粒直径如表1所示·

表1　试样热处理制度与晶粒直径对应表

Table 1　Heat treatment and corresponding grain size 试样号处理制度

晶粒直径/μm

A @+1075℃,0.5h 12.8

B @+1100℃,1h 16.9

C @+1100℃,4h 28.9

D @+1100℃,45h 93.5E

@+1150

℃,110h

159.4

　@:(1000℃,8h )+(1100℃,48h )固溶处理后冷轧到94%·

由表1可以看到,通过改变再结晶处理的温度和时间,可以使合金的晶粒尺寸在12.8～159.3μm 之间变化,相当于ASTM 的2～9级·

经上述处理得到的不同晶粒尺寸的单相固溶体试样,在600℃时效24h 的显微组织如图1a 所示,这种编织状的组织是典型的失稳分解组织,黑白相间的两相体积分数近乎相同,其中一相为富Cu 相,另一相是贫Cu 相(富FeNi 相),两相间的界面为共格界面·在900℃时效5h 的显微组织如图1b 所示·相对于在600℃时效24h 的试样,编织状的调幅分解组织明显粗化·这是由于随时效温度的增高,原子的扩散能力增加,完成了在界面能驱动下的迁移

·

图1　Cu -30N i -25Fe 合金时效后的失稳分解组织

Fig .1　The spinodal decompositional microstructure of C u -30Ni -25Fe alloy after aging

(a )—600℃,24h ;(b )—900℃,5h ·

图2　合金在600℃时效硬度随时效时间的变化

Fig .2　Hardness variation of C u -30Ni -25Fe alloy

aged at 600℃with aging time

2.2　失稳分解过程中的硬度变化

Cu -30Ni -25Fe 合金经固溶处理并在600℃时效过程中硬度的变化如图2所示·在时效初期,硬度随时效时间的增长而迅速提高,随后趋于平缓,在24h 左右达到峰值·进一步延长时效时间,硬度缓慢下降·对于失稳分解合金,时效初期硬度的

增加主要取决于分解后两相晶格常数的差异[8]

,而晶格常数的差异取决于两相的成分差·由两相化学成分差异引起的晶格常数差,将在两相界面处造成共格界面应力·随两相尺寸的增加,界面应力增加·此应力达到一定值后,界面共格性不再维

持,由共格界面转变为半共格界面·Butler [9]等在研究Cu -Ni -Fe 合金时发现,失稳分解初期在几分

钟内就达到化学失稳分解成分线,而调幅波长只有2nm ～3nm ,继续时效,波长增加,两相成分逐渐达到溶解度间隙线·在600℃时效初期硬度的迅速增加,继续时效时硬度缓慢增加,都是共格界面应力的贡献·其后硬度的缓慢下降,是由于波长超过一定值后,两相界面由共格变为半共格,弹性应力降低和界面面积减少所致·2.3　硬度与失稳分解相界及晶粒间界的关系图3为硬度与晶粒直径的关系图·从图中可以看出,不论是固溶态还是在600℃时效以及在900℃时效后,硬度与晶粒直径的关系均符合Hall -Petch 关系:

HV =HV 0+K HV d -1/2

(1)

式中,HV 为试样的维氏硬度;HV 0为晶粒无限大

时的硬度;K HV 为细晶硬化系数,是衡量晶界对强化贡献大小的常数;d 是晶粒的平均直径·

三种处理制度试样的硬度与晶粒直径的关系按式(1)拟合后各常数和相关系数列于表2·可以看出,固溶态试样的K HV 最大,在600℃时效24h

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具有失稳分解强化的Hall-Petch关系重点

图3　试样硬度与晶粒直径的关系Fig .3　R elations hip between hardnes s and grain size 表2　Hal l -Petch 关系式中常数表Table 2　The coefficient in H all -Petch equation

样　　品HV 0K HV R ST

113.8

2.9

0.99

ST +900℃,5h 118.02.40.97ST +600℃,24h

128.4

1.9

0.99

　　S T :固溶处理·

的试样的K HV 最小,而在900℃时效5h 的试样的K HV 介于两者之间·时效后K HV 的减小表明硬度对晶粒尺寸的依赖程度减少,这与时效后在晶粒内存在大量的失稳分解相界有关·失稳分解后在晶粒内形成编织状的双相组织,位错在晶粒内运动过程中,将会受到两相界面的阻碍,并周期性地在相界处塞积·这在宏观上表现为晶粒尺寸对强度的贡献减少[10]·所以,时效态与固溶态相比,K HV 明显降低,特别是在600℃时效后·如图4所示,在600℃时效24h 后,硬度达到峰值,失稳分解的两相界面应力也达到最大,位错在运动过程中受到这种界面的阻碍最大,在界面处的塞积数量最多·在900℃时效5h 后,失稳分解的两相已经显著粗化,同时两相间的界面已经由共格界面转变为半共格界面,界面应力降低·由于界面应力的降低和界面面积的减少,失稳分解两相界面对位错运动的阻碍作用降低,与600℃时效相比,K HV 值变大·固溶态因为晶粒内没有失稳分解相界面,所以强化效应全部来源于晶界,因而K HV 值最大·

图4示意性地画出了失稳分解界面对合金硬度的贡献·直线a ,b ,c 分别对应于固溶态、高温时效、低温时效后的硬度·可以看出,失稳分解相界的强化分量(图中深影部分)随晶粒直径的减小而减小·当晶粒直径减小到一定程度时,失稳分解相界强化消失·很容易想到可能是失稳分解两相尺寸与晶粒尺寸相当时,相界强化分量消失·然而

比较从电镜照片测得的两相尺寸和晶粒尺寸后发

图4　晶界强化与失稳分解强化对合金硬度影响的示意图

Fig .4　Schem atic diagram of the effect of grain boundary

s trengthenin g spinodal decompositional s trengthenin g on hardness

现,当失稳分解两相尺寸比晶粒尺寸约小两个数量级时,失稳分解的强化作用即消失·这与失稳分解相界对位错运动的阻力较小有关·失稳分解后

的两相结构相同,取向近乎一致,只是由于成分不同而造成晶格常数略有差异,在界面处由于晶格错配引起界面应力·这种界面与大角度晶界相比,位错较容易穿过·当晶粒尺寸较大时,晶粒内的相界数量很多,失稳分解的强化效果明显,当晶粒变小时,晶粒内的相界数量变少,失稳分解强化效应减弱·可以认为,随着晶粒内相界数量的增多,细晶强化的效应将逐渐消失,如图中从直线a 变到b 和c 所示·当然,失稳分解相界与晶界对强度的贡献不能简单地线性叠加·这是由于失稳分解后,既增加了相界,但同时也降低了固溶强化作用·对于Cu -Fe -Ni 合金,这3个合金元素的原子半径差别很小,所以固溶强化作用较弱·还需要考虑的问题是失稳分解对晶界结构的影响·由于失稳分解是成分的长程调幅过程,不存在晶界位置的择优形核问题,因此对晶界结构影响不大·

3　结　　论

(1)合金发生失稳分解后,其硬度和晶粒直径的关系仍符合Hall -Petch 关系式·在各种晶粒度下失稳分解后的硬度均高于固溶态,失稳分解温度越低,则硬度越高·

(2)当失稳分解后两相尺寸与晶粒尺寸相比约小两个数量级时,失稳分解的相界强化作用消失·

(3)失稳分解组织的细晶硬化系数值明显低于固溶态,且随失稳分解强化作用的增大而降低,这反映了失稳分解后合金的强度对晶粒大小的敏感程度降低·

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第2期　　　　　　　郝新江等:具有失稳分解强化的H all -Petch 关系

具有失稳分解强化的Hall-Petch关系重点

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Hall-Petch Relationship in Alloys with Spinodal Decomposition S trengthening

HAO X in-jiang,L IU Hui-qing,HAO Shi-ming,L I Hong-xiao

(School o f M aterials&Metallurgy,Nor theastern U niversity,Shenyang110004,China,Co rrespondent:HAO Shi-ming, professor,E-mail:haoshmg@http://)

A bstract:The effect of spinodal-deco mposed phase interfaces o n the Hall-Petch relationship was investigated in Cu-30Ni-25Fe alloys w ith spinodal decompo sition microstructures and a w ide range of g rain size.T he relationship of hardness with grain size in the spinodal-decomposed alloy s is coinciding with the Hall-Petch equatio n.The hardness of spinodal-decompo sed alloys is greater than that of solid solution treated alloys,however,the spinodal decomposition streng thening disappears when the size o f spinodal decomposed phases is two orders of magnitude smaller than the g rain size.The coefficient K HV in the spinodal-decomposed alloys is smaller than that of solid solutio n treated alloys and is decreases with the increasing of spino dal decomosition strengthening. T he strength o f spinodal decomposed alloy s is insensitive to the grain size.

Key words:spinodal decomposition;Hall-Pecth relationship;phase interface streng thening;Cu-Ni-Fe alloy;allog streng th; alloy Hardness;g rain size K HV;fine g rain hardening coefficient

(Received May11,2001)

待发表文章摘要预报

单辊搅拌技术制备2A11半固态材料过程的数值模拟

管仁国,温景林,刘相华

简述了单辊搅拌技术制备2A11半固态材料基本原理·利用AN SYS有限元分析软件包中CFD141单元,对制备2A11半固态材料过程中耦合场进行了数值模拟,得出了温度场与速度场的分布规律·在轧辊作用下,合金液的运动速度靠轧辊越近,液体层运动速度越大,离轧辊越远,液态层运动速度越小,在近轧辊处出现速度最大值,在近靴处出现明显的速度递减;由于轧辊的转动,使合金等温线发生偏移,近轧辊侧温度偏高·

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