碳在面心立方系合金钢与金屬中微扩散所引起的内耗峰

用扭摆作内耗测量,发现了几种面心立方系合金钢(18/8型不锈钢及高锰钢)中含碳可以引起内耗峰。当振动频率约为每秒1周时,峰的巅值温度在200-300℃之间。当钢中固溶体的碳量增多时,内耗峰升高而峰的位置移向低温,当钢中所含的碳因回火而发生沉淀时,内耗峰降低而峰的位置移向高温。把内耗方法所测得的激活能、弛豫时间和由此计算所得的扩散系数与资料上所载的碳在面心立方系的钢中宏观扩散的数据相比较,指出所观测的内耗峰确是由于碳在钢中的微扩散所引起来的。用同样的实验方法也发现了碳在镍铝合金及在纯镍中由于微扩散而引起的内耗峰。这些实验指出,碳在面心立方系晶体中微扩散而引起内耗峰这件事实,可能是一种普遍的现象。     

用内耗方法研究碳在γ-铁中的扩散

在含锰1.7％的γ-铁中观察到因含碳而引起的内耗峰。当振动频率约为2周/秒时,内耗峰出现在240℃左右。这个内耗峰由于含碳量的增加而升高,由于在较高温度保温而降低。根据内耗测量所得的激活能是34,000±2000卡/克分子,与碳在γ-铁中的激活能(宏观扩散实验的数据)相合,由此可知所观测的内耗峰是由于碳在γ-铁(含锰1.7％)中的应力感生微扩散所引起来的。根据内耗测量的数据求出了碳在200—250℃的温度范围内在γ-铁中扩散的扩散系数。在logD—l/T坐标上,这些数据与宏观扩散实验所测得的在1000—1200℃的扩散系数坐落在一条直线上。所观测的内耗峰高度似乎与含碳量的二次方成正比,这表示在应力感生扩散过程中直接参加元跳动的乃是两个碳原子。由此可以提出一个产生内耗峰的初步模型:由于点阵中有空穴存在,两个碳原子很容易构成一个在各方向引起不同畸变的原子对,由于这个原子对在应力作用下的转动而产生内耗。     

碳在低碳合金马氏体中微扩散所引起的内耗峰

用扭摆测量淬硬低碳镍合金钢中的内耗,当振动频率约为每秒2周时,在155℃附近有一个内耗峰出现。这个内耗峰的出现条件是:钢中必须含有马氏体、合金元素和碳。在适当的条件下,铬钢和铬镍钢中也曾观察到这个内耗峰。用含镍29.7％的钢作了系统试验,观察到内耗峰高度与试样中的含碳量成正比。内耗峰的高度由于在较高温度(165℃以上)的回火处理而不断降低。由内耗测量所测得的激活能是25,000卡/克分子。以上的实验结果指出,所观测到的155℃新内耗峰是由于碳在合金马氏体中的应力感生微扩散所引起来的。提出了一个产生内耗峰的初步模型。假定碳在四角马氏体中是处于00(1/2)型的间隙位置。合金元素原子的存在引起晶体点阵中不均匀的畸变,因而应力的作用便改变了碳原子在热平衡状态下在Fe-C-Fe和B-C-Fe(B是合金元素原子)两种00(1/2)型间隙位置之间的跳动几率。这种应力感生的碳原子运动便引起内耗。用这个模型可以定性地解释所观测到的事实。关于这方面的定量研究正在进行中。     

氢分子在几种高铬镍合金钢中微扩散所引起的内耗峰

用扭摆作内耗测量,发现八种高铬镍合金钢中含氢可以引起内耗峰。当振动频率约为每秒1.5周时,内耗峰的巅值温度在610—640℃附近。用其中一种高铬镍合金钢试样(18Cr 12Ni)进行了系统的实验,指出这个内耗峰的基元过程是一种弛豫过程,所包含的激活能约为46,000—50,000卡/克分子。根据激活能的数值以及内耗峰在升温、降温和保温时的变化情况,可以认为这个新内耗峰是由於氢分子在钢中微扩散所引起来的。内耗测量的结果也指出了在18Cr 12Ni钢中在特定的升温、降温速度下氢分子舆氢原子的转变温度范围,所得的结果舆资料上的相合。     

鋼鐵中碳、氮的擴散、脱溶和沉澱

一般认为钢的变脆例如蓝脆和回火脆都与钢中的扩散和沉淀有关系。本文尝试用内耗测量的方法研究碳与氮在α-铁及碳素钢中的扩散、脱溶和沉淀,从而进一步地了解钢的变脆的机构。实验的结果指出,碳在α-铁中的扩散不受自身浓度、合金元素和沉淀历史的影响。氮的情形与碳显著不同,合金元素使氮的扩散变慢,在沉淀初期使氮的扩散加速。较有系统地研究了碳、氮在加工后的α-铁中脱溶时所引起的内耗峰(当振动频率约为每秒1周时出现在250℃左右),发现了高温淬火在含碳或氮较多的试样中所产生的内应力也可以引起这个内耗峰。实验指出:①这个脱溶内耗峰的出现条件与钢的蓝脆的出现条件相同,都是一种应变时效或淬火时效的现象;②与这个内耗峰有关的碳、氮是处于原子的状态。这些联系使我们认为钢的蓝脆是一种应变脱溶或淬火脱溶的过程,是由于原子状态的碳或氮聚集于钢中的内应力区域或晶体缺陷(例如原子脱节)中所引起来的。关于这方面的深入研究正在继续进行中。根据本实验及以前关于钢铁中碳氮的扩散、脱溶和沉淀所得的结果,对于钢的回火脆的机构也提出了一种初步的看法。回火脆是一种回火沉淀的过程,引起回火脆的沉淀似乎是氮化物而不是碳化物。     

碳在面心立方系合金钢中扩散内耗峰的机构

在三种面心立方系的铁锰合金(Mn18.5％,25.4％,36.0％)和铁锰镍铬合金(Mn9.5％,Ni8％,Cr3％)中观察到因含碳而引起的内耗峰,当振动频率约为2周/秒时,内耗峰出现在250℃左右。实验结果指出内耗峰高度与固溶体中的含碳量成直线关系。 提出了一个产生内耗峰的初步模型。假定碳在面心立方系晶体点阵中占据八面体的间隙位置,点阵中的异类原子(合金元素的原子或空穴)与这碳原子构成一个在各方向引起不同畸变的原子对,由于这个原子对在应力作用下的转动而产生内耗。由初步模型所推导出的式子可以解释内耗峰高度与固溶体中的含碳量成直线关系。根据粗略推算所得的内耗峰高度值与实验值相近。 关于晶体中空穴浓度的推算指出,对于碳在面心立方系合金钢中微扩散所引起的内耗峰而言,空穴的贡献少于合金元素的贡献的十分之一。     

镍在交变磁场中的一个磁内耗峰

在铁磁性物质中,弹性现象与磁性现象之间的耦合每每引起内耗。过去作磁弹性内耗研究所用的磁场大都是静磁场。我们令镍试样在交变磁场中作扭转振动,测量内耗。把内耗表示为磁场强度的函数时,得到一个显著的内耗峰。这个内耗峰在静磁场下不出现。把镍试样经过冷加工处理或在试样中加碳,都足以把内耗峰的位置移向高磁场强度的一边,而保温退火则把内耗峰移向低磁场强度的一边。此外,这个内耗峰的高度由于所用扭转频率的增加而显著地增加。根据镍的磁化曲线上各部分所相当的可逆及不可逆过程,可以定性地解释上述内耗峰的来源及其所受各种因素的影响。     

碳在面心铁-镍合金中扩散峰的机构

固溶在面心铁—镍合金中的碳原子,能引起一个应力感生的扩散内耗峰。当振动频率约为1.4周/秒时,峰的位置在500°K附近。固溶的碳原子可以跳入点阵空位中而成为代位式碳原子,此碳原子舆另一个最近邻的间隙碳原子相结合后即形成一组碳原子对。在外加应力的作用下,这类碳原子对轴的择尤旋转便引起了内耗。根据这个机构并结合内耗测量过程中试样内部碳原子重新分布的情况,可以推导出碳浓度和内耗峰高度之间的定量关系,并从而求出合金的点阵空位形成能和构成碳原子对时所放出的能量。铁—镍合金中碳扩散峰的特徵是:峰的二边内耗曲线不对称,在高温的一边,内耗反而比低温的一边为低。峰的位置T′随淬火温度或碳浓度之增加而渐向低温移动;峰愈出现在低的温度,T′Q_max^-1相乘积就愈大。根据本文所提出的理论,对这些特徵作了解释。     

位错芯区扩散引起的非线性滞弹性内耗峰

若干年来,我们对于出现在Al-Cu和Al-Mg系中的表现正常和反常振幅效应的坐落在室温附近的内耗峰进行了系统研究,测得的激活能接近于溶质原子在位错管道中扩散的激活能，从而认为内耗峰的基本过程是溶质原子在隹错芯内的扩散，并且提出了根据位错弯结模型的物理图像。在70年代，Windler-Gniewek等根据弦模型对于位错芯内的扩散进行了理论计算，推导出描述内耗行为的数学表达式与我们的实验结果有许多相似之处。本文对于弦模型和弯结模型进行了对比，分析了位错芯内的纵向扩散和横向扩散所引起的内耗的非线性表现以及内耗峰温和峰高随着应变振幅和测量温度而变化的情况，进一步了我们发现的室温非线性内耗峰（非线性滞弹性内耗）是由于溶质原子在位错芯内扩散所引起的。 关键词：     

鋼中含氫所引起的内耗峯

钢的内部发裂已经公认为与钢中的氢气有关。现有的理论认为这是由于氢气聚集于钢中的内部缺陷产生破裂压力所引起,然而关于缺陷的性质和引起内部发裂的详细机构迄今还没有明确的了解。本文尝试用内耗测量的方法来研究这个问题。初步实验的结果指出:(1)氢在钢中可以引起内耗峰(将内耗表示为测量温度的函数时);(2)轻微冷加工或保温对于内耗峰的颠值温度有着显著的影响,这表示所得的内耗峰与钢中的缺陷和应力状态有关系;(3)所得的内耗峰表现有反常的振幅效应,即在一定的观测温度时,如将内耗表示为外加应力的函数,则也得到一个内耗峰。这与本文作者之一以前在铝铜合金中所观测到的反常内耗峰的性质和表现相同,因而所得的内耗峰可能是由于氢与钢中的原子脱节的交互作用所引起来的。     

钢中马氏体在回火转变中所引起的内耗峰

用扭摆测量淬硬碳钢的内耗,当测量温度由室温渐渐升高时,在130℃附近有一个内耗峰出现。当温度达到170℃后再降温测量,这个内耗峰完全消逝不见。上述的现象在含碳0.29％到1.4％的几种淬硬碳钢和淬硬滚珠钢中都曾经看到。由内耗峰的出现可以认为马氏体在第一个回火阶段中的转变产物(ε-碳化铁)与母体具有共格性,由于共格界面的应力感生运动而引起内耗。曾用具有马氏体组织的0.25％碳钢试样作实验,没有观测到上述的内耗峰。但是当回火温度达到280-300℃以后,在降温或升温测量中都观测到一个内耗峰(在150℃附近)。这表示低碳马氏体在第三个回火阶段中的转变产物与母体具有共格性。但是由于这个内耗峰的表现与上述高碳试样的内耗峰不同,所以我们认为这转变产物并不是ε-碳化铁。     

稀土元素对铁的内耗的影响

本文对稀土元素含量(铈和镧含量的总和为:0,0.011,0.026,0.037,0.075,0.124％)不同的工业纯铁样品,在充分去碳、氮后进行了内耗测量。结果指出:铁的晶界激活能随稀土元素含量的变化出现极大值。这个极大值出现在稀土元素含量约0.03％左右,其值为11.3×10⁴卡/克分子,比不含稀土元素的铁样品(6.4×10⁴卡/克分子)约高一倍。对渗碳样品进行内耗测量得出:晶界内耗峰较充分去碳、氮样品的晶界内耗峰有近30℃的较大移动,各样品的晶界激活能趋近相等为7.6×10⁴卡/克分子(实验误差在±2000卡/克分子以内)。对碳在铁中的斯诺克峰的测量得出:随铁中稀土元素含量的增加,峰的高度被降低,而峰的位置和铁的比较,并没有变化。对各样品的冷加工内耗测量得出:未去碳和氮的原始样品(断面缩减率为88％)的冷加工内耗峰出现在230℃附近,峰值随稀土元素含量的增加而显著降低。对样品充分去碳、氮以后再重新渗氮,并进行冷加工(断面缩减率为88％),则冷加工内耗峰出现在190℃,这个峰也随着稀土元素含量的增加而显著降低。本文对于铁的这三个内耗峰(晶粒间界峰,斯诺克峰,冷加工峰)随着稀土元素含量而发生变化的可能原因,进行了初步的讨论。     

铁锰合金在正、反马氏体型相变温度范围内出现的位错内耗峰

用扭摆法测量了含锰18.5％的铁锰合金的内耗,在正和反马氏体型相变温度范围内都观察到一个稳定的内耗峯。在降温时,正马氏体型相变区域内的内耗峯出现在100℃左右;在重新加热时,反马氏体型相变区域内的内耗峯出现在200℃左右。对于这两个变为稳定以后的内耗峯进行了系统的研究,它们的共同特征是:1.内耗峯的位置与测量内耗所用的振动频率无关;2.稳定内耗峯的高度,随着测量内耗所用的应变振幅的增大而显著地升高;3.随着对于试样的加热和冷却循环次数的增加,内耗峯的位置离相变开始点的温度越远,而且内耗峯的高度也下降。从以上的特点可以看出,内耗峯的位置与频率无关表示产生内耗的基本过程不是受热激活所控制的。此外,内耗与振幅有关这一现象进一步指出,产生内耗的机构不是一种滞弹性效应。电子衍衬金相观测已经指出,作为扩展位错的组成部分的堆垜层错可以作为马氏体型相变的核,因此,这种内耗现象可能是由于扩展位错的应力感生加宽和收缩所引起的。这种模型可以统一地解释在铁锰合金中所观察到的各种内耗现象。     

镍碳固溶体在范性形变过程中的位错内耗

在小型拉力试验机上测量了含有不同碳量的镍在范性形变过程中的低频内耗,观察到当含碳量在某一适当范围以内时,内耗-应变曲线上出现了一系列的峯值。研究了不同热处理条件、预先冷加工以及测量温度对于这种内耗现象的影响。初步认为这一系列峯值是由于位错气团在形变过程中的更迭形成和解脱所引起的。