鐵基非晶態(tài)合金的晶化機(jī)制及耐腐蝕行為研究結(jié)題摘要

本項(xiàng)目以揭示鐵基非晶態(tài)合金的晶化機(jī)制及耐腐蝕行為機(jī)理為目標(biāo)，利用EXAFS研究了Finemet合金中Cu原子和Fe原子的局域結(jié)構(gòu)隨退火溫度的變化；利用熱分析技術(shù)結(jié)合XRD、TEM研究了Nb、Ta、W難溶合金元素對(duì)鐵基非晶合金形核及長(zhǎng)大的影響機(jī)制以及V元素對(duì)于Fe-Cu-Nb-Si-B(V)合金的晶化動(dòng)力學(xué)的影響；通過(guò)正電子湮滅多普勒展寬能譜的測(cè)量和分析，結(jié)果得出Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金的熱處理過(guò)程中缺陷隨熱處理溫度的變化與非晶態(tài)Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金熱處理過(guò)程中存在的結(jié)構(gòu)松弛過(guò)程、Cu核形核過(guò)程以及α-Fe(Si)相的納米晶化過(guò)程密切相關(guān)；利用電化學(xué)工作站研究了鐵基非晶及納米晶合金的腐蝕性能研究，結(jié)果表明在NaCl的堿性環(huán)境中，非晶和納米晶的耐腐蝕性能要強(qiáng)于不銹鋼，且納米晶試樣耐蝕性能優(yōu)于非晶試樣；在3.5%NaCl（模擬海水濃度）溶液中Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金納米晶狀態(tài)時(shí)的耐腐蝕性能比非晶狀態(tài)的更好；在0.1mol/L NaOH溶液中腐蝕性能測(cè)試表明，該非晶合金在退火前、550℃和600℃退火后都具有明顯的鈍化趨勢(shì)；在0.01M H2SO4溶液中腐蝕性能測(cè)試表明，該非晶合金退火前屬于活性溶解狀態(tài)，而當(dāng)經(jīng)過(guò)550℃和600℃退火后有一點(diǎn)鈍化傾向，且隨著退火溫度的升高，鈍化更加明顯；在1mol/L HCl溶液中的腐蝕性能分析表明， Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金納米晶狀態(tài)時(shí)的耐腐蝕性能比非晶狀態(tài)的更好；建立了非晶和納米晶Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金的腐蝕電化學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)非晶和納米晶的腐蝕速度跟溶液中氧的濃度梯度有著密切的關(guān)系。通過(guò)上述研究，完成了預(yù)期研究計(jì)劃和研究目標(biāo)，發(fā)表SCI收錄論文18篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)，培養(yǎng)研究生4名，召開(kāi)國(guó)際會(huì)議2次，出國(guó)參加國(guó)際會(huì)議2次（5人次），出國(guó)訪問(wèn)交流4次，邀請(qǐng)境外專(zhuān)家來(lái)華學(xué)術(shù)交流4人次。

本項(xiàng)目以揭示鐵基非晶態(tài)合金的晶化機(jī)制及耐腐蝕行為機(jī)理為目標(biāo)，將利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜、軟X射線譜顯微技術(shù)、符合e 湮沒(méi)多普勒展寬譜、穆斯堡爾譜、高分辨透射電鏡及電化學(xué)測(cè)量等對(duì)鐵基非晶態(tài)合金晶化過(guò)程中不同原子的空間分布以及其在晶化過(guò)程中的作用機(jī)理、合金微觀本征結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及物理性能之間的關(guān)系等方面的基本問(wèn)題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，揭示鐵基非晶態(tài)合金的晶化機(jī)制和耐腐蝕行為，闡明微觀結(jié)構(gòu)、d-p電子作用以及超精細(xì)相互作用對(duì)合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及磁性能的影響，為提高材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、磁性能以及優(yōu)化合金成分和退火工藝提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。本研究將有助于深入理解納米尺度的非晶和納米晶相及其相互作用的物理化學(xué)基礎(chǔ)，揭示非晶和納米晶態(tài)合金的物理性能、耐腐蝕性能等與本征結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系，為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高性能鐵基非晶和納米晶態(tài)合金材料提供科學(xué)依據(jù)和方法，并為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

研究表明，多晶體中疲勞裂紋往往沿晶界萌生。通過(guò)對(duì)Cu多晶體疲勞斷裂行為的研究，Mughrabi等人提出了一種駐留滑移帶(PSB)撞擊晶界的疲勞裂紋萌生機(jī)制(PSB—GB機(jī)制)來(lái)解釋這種沿晶開(kāi)裂現(xiàn)象，這個(gè)模型與中、低應(yīng)變幅下多晶體疲勞損傷的一些表面滑移事實(shí)相吻合。但在大應(yīng)變幅(5x10^-3以上)下Cu多晶體疲勞裂紋萌生的研究中，Kim和Laird 發(fā)現(xiàn)晶界裂紋的產(chǎn)生與晶界兩側(cè)晶粒的高度差，即晶界臺(tái)階的形成有密切關(guān)系，進(jìn)而提出了一個(gè)與PSB—GB機(jī)制完全不同的大應(yīng)變幅下晶界臺(tái)階機(jī)制。事實(shí)上，在較高的應(yīng)變幅下也能夠觀察到PSB—GB裂紋陣。顯然，對(duì)這種沿晶疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。由于多晶體晶粒的取向和晶界幾何結(jié)構(gòu)難于控制，不便分析和研究。研究采用幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易于控制的雙晶體來(lái)進(jìn)一步研究這種沿晶開(kāi)裂現(xiàn)象，試圖為多晶體的疲勞損傷及其機(jī)制的認(rèn)識(shí)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

傾斜晶界實(shí)驗(yàn)方法

利用Birdgman方法生長(zhǎng)出大塊Cu雙晶。用Laue背散射技術(shù)確定雙晶的晶體取向后(2°偏差)，用電火花線切割機(jī)切取一組[134]垂直晶界(見(jiàn)圖1a)和兩組[134]傾斜晶界(見(jiàn)圖1b，c)雙晶疲勞試樣，其中一組傾斜晶界雙晶晶界與加載軸約成25°夾角，稱(chēng)傾斜晶界雙晶I，見(jiàn)圖1b；另一組傾斜晶界雙晶的晶界與加載軸約成50°夾角，稱(chēng)傾斜晶界雙晶Ⅱ，見(jiàn)圖1c。這樣設(shè)計(jì)可以保證雙晶試樣的晶界結(jié)構(gòu)滑移系開(kāi)動(dòng)條件完全相同，僅僅是雙晶晶界與滑移系的相對(duì)取向有所改變，從而單獨(dú)研究晶界取向?qū)﹄p晶體疲勞開(kāi)裂行為的影響。疲勞試樣標(biāo)距內(nèi)截面積為6mmx4mm，標(biāo)距長(zhǎng)度12.5mm，夾頭部分截面積為6mmx6mm，試樣總長(zhǎng)度為64mm。

傾斜晶界實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）垂直晶界雙晶的疲勞開(kāi)裂行為

SEM觀察發(fā)現(xiàn)，[134]垂直晶界Cu雙晶疲勞裂紋的萌生同駐留滑移帶與晶界交互作用密切相關(guān)，在承受高、低應(yīng)變幅循環(huán)的疲勞試樣表面都觀察到許多由滑移帶撞擊晶界而形成的沿晶疲勞裂紋(PSB一GB裂紋)，這種裂紋形成的幾率與應(yīng)變幅有一定關(guān)系，大應(yīng)變幅下裂紋萌生幾率更大一些。圖2給出γ_pl=1.8x10^-4和4.1x10^-4兩種不同應(yīng)變幅下的PSB—GB裂紋的形貌。從該圖中可以看到，在形成疲勞裂紋的地點(diǎn)，雙晶體滑移變形的程度較大。很顯然，正是由于這種滑移變形的集中，通過(guò)與晶界的反復(fù)作用，導(dǎo)致了沿晶開(kāi)裂。

（2）傾斜晶界雙晶的疲勞開(kāi)裂行為

同垂直晶界類(lèi)似，晶界同樣是兩組[134]傾斜晶界Cu雙晶疲勞裂紋形成的有利地點(diǎn)，也是疲勞裂紋拓展的有利途徑。在某些應(yīng)變下，晶面觀察到少許PSB-GB裂紋的形成，但更多的裂紋似乎與滑移帶撞擊晶界的作用關(guān)系不大。也就是說(shuō)，晶界臺(tái)階機(jī)制在傾斜晶界雙晶的疲勞開(kāi)裂中起主要作用，而PSB-GB裂紋的作用較小。

傾斜晶界實(shí)驗(yàn)討論

雙晶體變形時(shí)在x表面上會(huì)產(chǎn)生較大的滑移量，因而產(chǎn)生晶界臺(tái)階，導(dǎo)致晶界疲勞裂紋形成。特別是在大應(yīng)變幅下，由于變形程度和滑移量大，晶界臺(tái)階更易形成，因此沿晶開(kāi)裂更易發(fā)生。雖然[134]傾斜晶界雙晶的幾何參數(shù)α和β同垂直晶界雙晶完全相同，但觀察發(fā)現(xiàn)傾斜晶界雙晶中PSB—GB裂紋對(duì)雙晶體的疲勞損傷不起主導(dǎo)作用，說(shuō)明傾斜晶界雙晶體中晶界臺(tái)階裂紋較PSB—GB裂紋更易形成，臺(tái)階機(jī)制占主導(dǎo)作用。

上述傾斜晶界雙晶體疲勞開(kāi)裂行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于理解多晶體的疲勞裂紋萌生行為和機(jī)制。在多晶體中，由于晶粒取向分布復(fù)雜，各種幾何取向的晶粒都會(huì)存在。同傾斜晶界雙晶類(lèi)似，在大應(yīng)變幅下，由于變形量大，在幾何條件有利的傾斜晶界上很容易形成晶界臺(tái)階。而與晶界臺(tái)階形成相比，PSB—GB裂紋形核和長(zhǎng)大較慢，正如Kim和Laird所觀察到的，大應(yīng)變幅下沿晶裂紋往往以臺(tái)階機(jī)制在傾斜晶界上形成。而在小應(yīng)變幅下，即使晶粒的幾何條件與臺(tái)階裂紋形成的幾何條件吻合，由于滑移量小，形成的晶界臺(tái)階也較小。往往在形成能導(dǎo)致裂紋形核的較大臺(tái)階之前，在那些幾何條件與PSB—GB機(jī)制吻合較好的晶粒內(nèi)，由于PSB與晶界的反復(fù)作用就導(dǎo)致了PSB—GB開(kāi)裂。所以小應(yīng)變幅下，對(duì)于多晶體的疲勞損傷PSB—GB裂紋更為重要。

傾斜晶界研究結(jié)果

（1）受循環(huán)應(yīng)變載荷作用的Cu雙晶體，晶界既是疲勞裂紋萌生的有利地點(diǎn)，也是疲勞裂紋擴(kuò)展的有利路徑。

（2）垂直晶界雙晶和傾斜晶界雙晶疲勞裂紋萌生的機(jī)制有所不同。垂直晶界雙晶沿晶疲勞裂紋主要由駐留滑移帶撞擊晶界而產(chǎn)生；而對(duì)于傾斜晶界雙晶，疲勞裂紋優(yōu)先以臺(tái)階機(jī)制形成。造成這種差別的原因同兩種雙晶體的活動(dòng)滑移系與晶界的相對(duì)幾何關(guān)系有關(guān)。 2100433B

多晶鐵氧體材料是由多個(gè)細(xì)小的晶粒構(gòu)成，其特性是組成晶粒特性的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)。因受材料的晶界氣孔及晶粒缺陷等因索的影響，很難滿足某些特殊場(chǎng)合應(yīng)用的高性能要求。

單晶材料是一個(gè)晶體構(gòu)成，微觀上是原子、分子或離子按一定的晶格周期性的排列；在宏觀上體現(xiàn)為具有一定對(duì)稱(chēng)性和一定解理面的大晶體。在單晶體內(nèi)部不含晶界、氣孔和有害雜質(zhì),晶格完整，所以晶體密度高、耐磨性好、磁性能高，往往比同樣組成的多晶材料的磁性能高出很多，能滿足某些高性能電子元器件的使用要求，所以得到廣泛的應(yīng)用。

鐵氧體單晶是各種基礎(chǔ)研究，如測(cè)定磁晶各向異性、觀則磁疇、鐵磁共振試驗(yàn)中必需的樣品。鐵氧體單晶用在微波器件里。例如制作濾波器。限幅器和延遲線等；采用較大尺寸的MnZn鐵氧體單晶制作高性能和高壽命的磁頭;正鐵氧體單晶用作小型高速電子計(jì)算機(jī)的磁泡材料；磁性半導(dǎo)體單晶可以作微波集成電路器件和磁光器件。基礎(chǔ)研究和應(yīng)用的擴(kuò)大，促使了單晶鐵氧體制造技術(shù)和工藝的研究，使之成為一門(mén)備受重視的科學(xué)和工藝。

本項(xiàng)目圍繞高速鐵路散體道床力學(xué)行為、狀態(tài)劣化機(jī)理及累積變形規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展了道砟顆粒三維幾何形態(tài)重構(gòu)及其離散元模擬方法研究，道砟顆粒靜態(tài)壓碎力學(xué)行為及細(xì)觀機(jī)理研究，道砟材料剪切力學(xué)行為的室內(nèi)試驗(yàn)與離散元模擬，高速鐵路道砟振動(dòng)特性的室內(nèi)試驗(yàn)與離散元模擬，400萬(wàn)次循環(huán)作用下散體道床累積變形與道砟劣化的1:1實(shí)尺模型試驗(yàn)研究，荷載工況和道砟參數(shù)對(duì)道床累積變形的影響機(jī)制與規(guī)律研究，高速鐵路有砟軌道幾何狀態(tài)預(yù)測(cè)分析與控制方法研究。本項(xiàng)目研究建立了高速鐵路道砟幾何樣本庫(kù)和道砟離散元模型樣本庫(kù)，發(fā)展了鐵路道砟力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)，提出了綜合運(yùn)用離散元、有限元、車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)的散體道床力學(xué)行為模擬新方法與新技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析，獲得了道床累積變形規(guī)律及道砟顆粒磨損與破損劣化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，給出了道砟破碎力學(xué)行為的統(tǒng)計(jì)特性和細(xì)觀力學(xué)機(jī)制，獲得了含沙道砟、土工格柵強(qiáng)化道砟直剪力學(xué)性能與參數(shù)影響機(jī)制，揭示了行車(chē)速度、荷載條件、道砟級(jí)配以及格柵加固等對(duì)鐵路道砟振動(dòng)和累積變形的影響規(guī)律。項(xiàng)目研究還提出了有砟軌道道床不均勻沉降與鋼軌變形映射關(guān)系的求解方法，給出了道床沉降導(dǎo)致的軌枕空吊以及車(chē)輛通過(guò)時(shí)軌枕與道床間動(dòng)態(tài)的接觸/空吊的狀態(tài)閾值，提出了基于列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)品質(zhì)的不平順敏感波長(zhǎng)及波深控制建議限值。項(xiàng)目研究成果為高速鐵路有砟軌道工程設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)維修提供了理論支撐和應(yīng)用參考，其中，關(guān)于有砟軌道不平順的研究成果在中國(guó)鐵路總公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《高速鐵路有砟軌道不平順譜》的制訂中得到體現(xiàn)。 2100433B