H68晶界工程处置及特征分布

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0引言

工业黄铜h68(铜质量分数为68%)具有较高的热导率,常用作汽轮机凝汽器、大型热交换器的管束材料。但黄铜管在有些工况条件下耐腐蚀性能较差,易发生晶界腐蚀,导致铜管因泄露而报废,其平均使用寿命在8a左右[1]。自20世纪80年代Wa-tanabe[2]提出晶界工程(GBE)处理,也称晶界特征分布(GBCD)优化概念以来,GBE处理在提高许多中低层错能面心立方材料,如铅合金、不锈钢、镍基合金等[3-10]的耐腐蚀性能方面已得到了成功应用。GBE处理主要是指在合金中增加包括∑3在内的、能量较低的、腐蚀抗力较高的低∑(∑≤29)重位点阵(CSL)晶界(亦称特殊晶界)的比例,使之达到或超过某一定值[3]。黄铜是典型的低层错能材料,但国内外有关通过GBE处理来改善黄铜制件耐蚀性能的研究报道甚少[11-12]。为此,作者对工业黄铜H68的初始试样采取固溶预处理后再进行小变形冷轧(6%),然后高温退火(923K)的GBE工艺处理,通过分析不同退火时间下特殊晶界比例变化和晶界特征分布演化,研究该合金GBE处理过程和影响因素,为确定工业黄铜H68的GBE处理工艺及工业应用奠定基础。

1试样制备与试验方法

试验材料为沈阳市某有色金属加工厂生产的工业黄铜H68棒材,直径40mm。用线切割方法沿铜棒轴向切割出原始试样,分三步进行处理。(1)固溶处理:将原始试样在953K保温30min,以消除第二相的影响;(2)预处理:对固溶试样进行冷轧(压下量10%)退火(773K×10min)处理;(3)对预处理后的试样进行6%冷轧,随后在923K时分别进行1~15min退火。将上述试样进行化学抛光处理。抛光液配比:48%正磷酸+26%冰醋酸+26%硝酸(体积分数)。用配有电子背散射衍射(EBSD)系统的FEISirion-200型热场发射扫描电子显微镜测定晶界的分布特征。为确保数据的统计平均性,每个试样扫描3个250μm×200μm的区域,扫描步长为4μm;收集由背散射电子菊池衍射花样得到的晶体取向信息,重构出取向成像显微图(OIM图);采用Brandon[13]判据(Δθ≤15°∑-1/2)确定重位点阵晶界,低∑(1<∑<29)晶界被统计为特殊晶界。

2试验结果与讨论

2.1晶界特征分布图1中细灰色线标记特殊晶界(SBs),而黑线标记一般大角晶界(HABs)。可以看出固溶处理后黄铜中一般大角晶界网络较完整,其特殊晶界比例(fSBs)为42%,且以平直的晶内共格孪晶为主。将图2和图1比较可知,固溶再经预处理后,一般大角晶界包围的晶粒尺寸减小。观察其晶粒组织特征,可以看出此时黄铜中有A、B两种晶粒形态。A晶粒一般大角晶界网络完整,晶内包含平直的∑3晶界,晶粒尺寸约50μm;B晶粒尺寸较大(100μm左右),一般大角晶界网络的连通性多处被特殊晶界所打断;∑3晶界长而弯曲,这种弯曲的∑3晶界是具有高可动性的非共格晶界[10],B晶粒明显处于GBE处理状态。这说明经预处理后,试样中发生了两种行为:以生成一般大角晶界包围的新生晶粒为特征的再结晶行为和以生成∑3n(n=1,2,3)特殊晶界为主的再结晶行为。由图3可见,预处理再经6%冷轧并在923K退火时,随退火时间延长,特殊晶界比例变化的规律是先增后降;在退火10min时特殊晶界比例达峰值(fSBs=76%)。由图4可见,经GBE处理后由于一般大角晶界内有∑3n(n=1,2.3)特殊晶界连接形成的特殊晶粒团(如框区所示),使一般大角晶界网络的连通性被打断,实现了晶界特征分布(GBCD)的优化。预处理试样与其工艺相近时(10%冷轧+773K×10min)却未实现GBCD优化。详细原因有待进一步讨论。

2.2晶界特征分布的演化由图5可见,经6%冷轧后在923K退火1min后黄铜的晶粒形态与预处理后的(图2)相似,只是后者新生晶粒尺寸较小(<50μm),而GBE处理状态晶粒的尺寸较大(>100μm,如晶粒A),这说明预处理过程中发生的两种再结晶行为得以在后续的冷轧退火中延续。根据晶界工程理论,中低层错能面心立方材料的GBCD优化是基于退火孪晶的[14],因此在储能合适的条件下,再结晶向GBCD优化方向进行,这主要取决于∑3晶界的可动性及∑3n(n=1,2,3)晶界反应的几率。初步分析认为,小变形(6%~10%)时不同位向晶粒的变形量差异可引起界面能量升高[15]。退火使应力释放成为晶界迁移的驱动力,发生所谓“形变诱发晶界迁移(STBM)”[16],即形变组织中某些低应力分布区的晶粒通过微小的晶体取向调整得以保留并在界面应力梯度和位向梯度的作用下,向周围某些高应力或有利位向区发生特定界面的优先迁移。在这种机制下,黄铜中原有及新形成的非共格∑3晶界容易获得高的迁移动性,在迁移中彼此相遇并发生交互反应,派生出∑9和∑27晶界[15],使∑3n(n=1,2,3)特殊晶界的比例增大。由图3可见,退火5min后的∑3及∑9+∑27晶界的比例同时激增,主要归因于∑3n(n=1,2,3)晶界反应;而退火7~10min后,∑9+∑27晶界比例增幅较小或略有下降,但特殊晶粒团尺寸增大,如图4,5所示,这一过程可归结为小的特殊晶粒团合并为大的特殊晶粒团,使一般大角晶界的数量减少,∑3晶界相对增加所致。而预处理过程中非共格∑3晶界的形成及再结晶引起的晶粒细化,提高了∑3晶界的可动性及迁移中相遇的机会,为后续冷轧退火中发生∑3n(n=1,2,3)晶界反应提供了条件。固溶后组织中的特殊晶界以平直的共格∑3为主,共格∑3具有较低的迁移动性,且晶粒尺寸粗大,因此在后续预处理时同样经小变形(10%)退火10min处理,却未能完成GBCD优化。

3结论

(1)工业黄铜H68经过固溶和预处理后,再进行6%冷轧并在923K退火10min,其组织中的特殊晶界比例达到76%,一般大角晶界包围的特殊晶粒团尺寸大于300μm,较好地阻断了一般大角晶界网络的连通性,实现了GBCD优化。(2)预处理后试样中非共格∑3晶界的形成及再结晶引起的晶粒细化,提高了∑3晶界的可动性及迁移中相遇的机会,为后续冷轧退火中诱发∑3n(n=1,2,3)晶界反应提供了条件,这是黄铜H68发生GBCD优化的主要机制;固溶试样组织粗大,其特殊晶界以共格∑3为主,是后续预处理时未能完成GBCD优化的主要原因。