B对Mo等合金元素在γ-Fe∑9、∑11晶界偏析行为的影响.pdf
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1、第5 4卷 第6期2 0 2 3年1 1月 太原理工大学学报J OUR NA L O F T A I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.6 N o v.2 0 2 3 引文格式:闫新,张翊,杨静,等.B对M o等合金元素在-F e 9、1 1晶界偏析行为的影响J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(6):1 0 5 5-1 0 6 2.YAN X i n,Z HAN G Y i,YANG J i n g,e t a l.E f f e c t o f B o n s e g r e g a t i o n
2、b e h a v i o r o f M o a t -F e 9 a n d 1 1 g r a i n b o u n d a r i e sJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(6):1 0 5 5-1 0 6 2.收稿日期:2 0 2 1-0 7-2 6;修回日期:2 0 2 1-0 9-2 2 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 8 1 7 1 1 5 9)第一作者:闫新(1 9 7 9-),博士,(E-m a i l)5 4 0 0
3、 9 5 5 2 8q q.c o m 通信作者:韩培德(1 9 6 4-),教授,主要从事材料设计与模拟的研究,(E-m a i l)h a n p e i d e t y u t.e d u.c nB对M o等合金元素在-F e 9、1 1晶界偏析行为的影响闫 新,张 翊,杨 静,陈 津,韩培德(太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 0 3 0 0 2 4)摘 要:【目的】超级奥氏体不锈钢中C r、M o等元素的严重偏析,使得其在热轧过程中析出大量富M o、C r第二相,从而引发轧制开裂、分层等问题,B微合金化有利于遏制相的析出。【方法】在实验的基础上对比分析了B对S 3 1 2 5 4
4、超级奥氏体不锈钢基体、析出相的影响及其C r、M o等元素分布,并结合实验结果,以-F e 9(2 2 1)、-F e 1 1(1 1 3)两种晶界结构模型为研究对象,分析了C r、N i、M n、M o、C u、S i在两种晶界处的偏析倾向,探讨了B处于晶界时,对以上元素晶界偏析行为的影响。【结果】研究发现以上合金元素均可固溶于-F e 9、-F e 1 1晶界结构体系,C r、M o均有在-F e 9、-F e 1 1晶界偏析的倾向,M o在晶界处偏析倾向最为严重;而B处于晶界时,可抑制C r、M o在-F e 1 1晶界的偏析,对M o在-F e 9晶界偏析的抑制作用较弱。【结论】从原子
5、层次上诠释了实验中B在超级奥氏体不锈钢中抑制富M o析出相析出的本质,为后续超级奥氏体不锈钢的成分优化奠定了基础。关键词:铁;第一性原理;晶界;偏析中图分类号:T G 1 4 2.7 1 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.t y u t.1 0 0 7-9 4 3 2.2 0 2 3.0 6.0 1 2 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 6-1 0 5 5-0 8E f f e c t o f B o n S e g r e g a t i o n B e h a v i o r o f M o a t -F e 9 a n d 1 1 G
6、r a i n B o u n d a r i e sY A N X i n,Z H A N G Y i,Y A N G J i n g,C H E N J i n,H A N P e i d e(C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s
7、e s】Ow i n g t o t h e s e r i o u s s e g r e g a t i o n o f C r a n d M o i n s u p e r a u s t e n i t i c s t a i n-l e s s s t e e l,a l a r g e n u m b e r o f M o-a n d C r-r i c h s e c o n d p h a s e s p r e c i p i t a t e d u r i n g t h e h o t r o l l i n g p r o c e s s,w h i c h l e
8、 a d s t o r o l l i n g c r a c k i n g a n d d e l a m i n a t i o n.B o r o n m i c r o a l l o y i n g i s h e l p f u l f o r p r e-v e n t i n g t h e p h a s e p r e c i p i t a t i o n.【M e t h o d s】T h e m a t r i c e s a n d p r e c i p i t a t e s t r u c t u r e s o f b o r o n-f r e e
9、a n d b o r o n-c o n t a i n i n g S 3 1 2 5 4 s u p e r a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l s a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f e l e m e n t s s u c h a s C r a n d M o w e r e a n a l y z e d e x p e r i m e n t a l l y.C o m b i n e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e
10、s u l t s,t w o g r a i n b o u n d a r y s t r u c t u r e m o d e l s o f -F e 9(2 2 1)a n d -F e 1 1(1 1 3)w e r e t a k e n a s t h e r e s e a r c h o b-j e c t s.T h e s e g r e g a t i o n t e n d e n c y o f C r,N i,M n,M o,C u,a n d S i a t g r a i n b o u n d a r i e s w a s a n a-l y z e
11、d,a n d t h e i n f l u e n c e o f B o n t h e s e g r e g a t i o n b e h a v i o r o f t h e s e e l e m e n t s a t g r a i n b o u n d a r i e s w a s d i s c u s s e d.【F i n d i n g s】I t w a s f o u n d t h a t a l l o f t h e s e a l l o y i n g e l e m e n t s c a n b e s o l i d s o l u b
12、 l e i n t h e g r a i n b o u n d a r y s t r u c t u r e m o d e l o f -F e 9 a n d -F e 1 1.B o t h C r a n d M o t e n d t o s e g r e g a t e a t t h e g r a i n b o u n d a r y o f -F e 9 a n d -F e 1 1,a n d M o t e n d s t o s e g r e g a t e m o s t s e r i o u s l y a t t h e g r a i n b o
13、 u n d a r y.Wh e n B i s a t t h e g r a i n b o u n d a r y,t h e s e g r e g a t i o n o f C r a n d M o a t t h e -F e 1 1 b o u n d a r y i s i n h i b i t e d,b u t t h e s e g r e g a t i o n o f M o a t -F e 9 b o u n d a r y i s w e a k l y i n h i b i t e d.【C o n-c l u s i o n s】T h e e s
14、 s e n t i a l r e a s o n w h y t h e p r e c i p i t a t e d p h a s e c a n b e i n h i b i t e d b y t h e a d d i t i o n o f s u p e r a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l t o B i s e x p l a i n e d f r o m t h e a t o m i c l e v e l,w h i c h l a y s a f o u n d a t i o n f o r t
15、 h e c o m p o s i t i o n o p t i m i z a t i o n o f s u p e r a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l i n t h e f u t u r e.K e y w o r d s:F e;f i r s t-p r i n c i p l e s;g r a i n b o u n d a r y;s e g r e g a t i o n 超级奥氏体不锈钢中含有大量的合金元素,如C r、M n、N i、M o、C u、S i等,其中C r、M o等是铁素体形成元素,N i
16、、M n、C u等是奥氏体形成元素,可以扩大并稳定奥氏体相区1-4。相对于普通的奥氏体不锈钢,超级奥氏体不锈钢在耐晶间腐蚀、点蚀等方面表现更为优异5-7,因此被广泛应用于烟气脱硫、石油化工、海水淡化等领域8-1 1。然而,在热加工过程中,由于合金元素较多,超级奥氏体不锈钢中的合金元素极易发生晶界偏析,并形成大量的第二相,引发开裂、分层等问题,严重制约了超级奥氏体不锈钢的生产及应用。因此,如何有效改善C r、M o等合金元素的晶界偏析、遏制第二相的析出成为目前研究的热点。B在奥氏体中的溶解度极小,一般分布于位错、晶界等结构缺陷处,易在晶界位置发生偏析,从而影响超级奥氏体不锈钢的性能。崔一士等对S
17、 3 1 2 5 4的固溶工艺进行了分析,表明经1 2 2 0/2 h的固溶处理,添加B元素的S 3 1 2 5 4中相回溶速度很快1 2-1 4;白晋钢等发现S 3 1 2 5 4超级奥氏体不锈钢在高温轧制过程中的析出相主要以相为主,B微合金化的S 3 1 2 5 4可有效抑制在热轧过程中相的析出1 5-1 7。尽管添加B后的超级奥氏体不锈钢中析出相发生明显的变化,同时也影响相的形成元素C r、M o等,但在实验上仍然难以观察到晶界B的存在。密度泛函的第一性原理为从原子层次探索合金元素在晶体结构中的迁移、扩散、占位提供了可能,近年来合金元素在晶界偏析倾向的理论研究已有很多1 8-1 9。基于
18、此,本文以超级奥氏体不锈钢中常见的两类晶界-F e 9(2 2 1)、-F e 1 1(1 1 3)为研究对象,分析超级奥氏体不锈钢中C r、M n、N i、M o、C u、S i等合金元素在这两个晶界结构的占位倾向,并分析B对这些合金元素晶界偏析倾向的影响,以便更深入理解B在超级奥氏体不锈钢中所起的作用。1 实验与计算方法1.1 实验方法实验采用的超级奥氏体不锈钢S 3 1 2 5 4由太钢集团 技 术 中 心 用 真 空 感 应 炉 制 备,基 于A S TM A 3 1 2成分标准冶炼、热轧,并在其中加入0.0 0 4%(质量分数)的B.主要元素C、C r、N i、M o、C u、N、B
19、的含量(质量分数)分别为0.0 2%、2 0.1 7%、1 8.1 5%、6.0 3%、0.7 2%、0.2 1 2%、0.0 0 4%.将试样切割成1 5 mm1 5 mm3 mm的薄片,制备分析用样品,利用电子色散X射线能谱(E D S)和场发射扫描电子显微镜(S EM)对微观组织和成分进行表征。1.2 计算方法计算采用VA S P2 0-2 1软件包完成。交换关联函数均采用广义梯度近似G GA2 2中的P B E2 3泛函,原子核和价电子间的相互作用采用P AW方法处理2 4。平面波的截断能为4 0 0 e V,布里渊区k点取样为551,迭代计算时自洽场的收敛精度为1 0-6 e V/a
20、 t o m,每 个 原 子 上 的 力 收 敛 标 准 为0.1 e V/n m.此外,F e、C r、B、M o、M n、S i、N i、C u的价电子 构 型 分 别 为3 d64 s2、3 d54 s1、2 s22 p1、4 d55 s1、3 d54 s2、3 s23 p2、3 d84 s2、3 d1 04 s1.1.3 模型构建-F e 9(2 2 1)对称倾转晶界是-F e(2 2 1)面以1 1 0 晶向为旋转轴,将两部分晶体旋转3 8.9 4 所构成,-F e 1 1(1 1 3)对称倾转晶界是-F e(1 1 3)面以1 1 0 晶向为旋转轴,将两部分晶体旋转1 2 9.5
21、2 所构成(见表1)。两个晶体的叠加导致两个晶格的子晶格的位置重合,距离太近的位点将被合并。本文-F e 9(2 2 1)晶界中含3 6个F e原子,初始晶胞尺寸0.2 4 3 n m0.7 2 9 n m2.0 6 2 n m,-F e 1 1(1 1 3)晶界中含4 4个F e原子,初始晶胞尺寸0.2 4 3 n m0.8 0 6 n m2.2 8 0 n m,=9 0,首先对-F e 9(2 2 1)、-F e 1 1(1 1 3)晶界体系进行结构6501太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 优化,优化后的晶界结构特性如表1所示。晶界能G B为2 5:G B=EF eG B-EF
22、eb u l k/a t o mnG B2S.(1)式中:EF eG B是晶界超胞经弛豫后的总能量,EF eb u l k/a t o m是f c c-F e块体结构中单个原子的体能量,S是超胞结构对应的界面横截面积,nG B是晶界超胞中的原子数。f c c-F e晶界结构的过剩体积(V)反映界面原子体积相对于晶粒内部原子体积的增加量,用于反映界面处缺陷、元素偏析于晶界后对晶界结构影响的程度,依据文献2 6,V=VG B-nG BVb u l k/a t o mS,其中VG B是晶界超胞弛豫后的总体积,nG B是晶界超胞中的原子数,Vb u l k/a t o m是f c c-F e块体结构中
23、单个原子的体积,S是超胞结构对应的界面横截面积。晶界的原子排列有序度用重合位置点阵模型(C S L)描述,用重合阵点数占原阵点数比重的倒数表示2 7-2 9,值越小,该C S L晶界中原子排列的有序度越高。低的C S L晶界的界面能较低。9晶界属于3n(1n3)类型晶界,3、9晶界在不锈钢中占比很高。所以,本文主要研究了占比较高的9(2 2 1)晶界以及1 1(1 1 3)晶界。由于界面是晶界结构中最为薄弱的区域,且往往也是元素最易偏析的位置,计算中置换型元素C r、M n、N i、M o、C u、S i分别取代晶界处原子M1位置,同时为了对比分析,又选取远离晶界的M2代表基体位置。F e 1
24、、F e 2、F e 3、F e 4分别代表界面处合金元素周围的F e原子。图1为晶界结构模型。表1 -F e 9(2 2 1)、1 1(1 1 3)晶界的结构特性T a b l e 1 S t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f -F e 9(2 2 1)a n d -F e 1 1(1 1 3)g r a i n b o u n d a r i e sG r a i n b o u n d a r i e sG B/(Jm-2)V/(n m3n m-2)A n g l e/()N u m b e r s o f a t o m
25、 s S u p e r c e l l d i m e n s i o n s/(n mn mn m)S/n m2-F e 9(2 2 1)1.7 1 60.1 1 4 33 8.9 43 60.2 4 30.7 2 92.0 6 20.1 7 7 1-F e 1 1(1 1 3)0.5 5 90.0 4 9 91 2 9.5 24 40.2 4 30.8 0 62.2 8 00.1 9 5 9Fe2Fe1Fe3Fe4M1M2Fe2Fe1Fe3Fe4M1M2FeM(Cr、Mn、Ni、Mo、Cu、Si)(a)-Fe?9(b)-Fe?11图1 -F e-M 9(a)和1 1(b)晶界结构模型F
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