铁基非晶态合金的晶化机制及耐腐蚀行为研究

本项目以揭示铁基非晶态合金的晶化机制及耐腐蚀行为机理为目标，利用EXAFS研究了Finemet合金中Cu原子和Fe原子的局域结构随退火温度的变化；利用热分析技术结合XRD、TEM研究了Nb、Ta、W难溶合金元素对铁基非晶合金形核及长大的影响机制以及V元素对于Fe-Cu-Nb-Si-B(V)合金的晶化动力学的影响；通过正电子湮灭多普勒展宽能谱的测量和分析，结果得出Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金的热处理过程中缺陷随热处理温度的变化与非晶态Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金热处理过程中存在的结构松弛过程、Cu核形核过程以及α-Fe(Si)相的纳米晶化过程密切相关；利用电化学工作站研究了铁基非晶及纳米晶合金的腐蚀性能研究，结果表明在NaCl的碱性环境中，非晶和纳米晶的耐腐蚀性能要强于不锈钢，且纳米晶试样耐蚀性能优于非晶试样；在3.5%NaCl（模拟海水浓度）溶液中Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金纳米晶状态时的耐腐蚀性能比非晶状态的更好；在0.1mol/L NaOH溶液中腐蚀性能测试表明，该非晶合金在退火前、550℃和600℃退火后都具有明显的钝化趋势；在0.01M H2SO4溶液中腐蚀性能测试表明，该非晶合金退火前属于活性溶解状态，而当经过550℃和600℃退火后有一点钝化倾向，且随着退火温度的升高，钝化更加明显；在1mol/L HCl溶液中的腐蚀性能分析表明， Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金纳米晶状态时的耐腐蚀性能比非晶状态的更好；建立了非晶和纳米晶Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金的腐蚀电化学模型，发现非晶和纳米晶的腐蚀速度跟溶液中氧的浓度梯度有着密切的关系。通过上述研究，完成了预期研究计划和研究目标，发表SCI收录论文18篇，申请发明专利4项，培养研究生4名，召开国际会议2次，出国参加国际会议2次（5人次），出国访问交流4次，邀请境外专家来华学术交流4人次。

本项目以揭示铁基非晶态合金的晶化机制及耐腐蚀行为机理为目标，将利用X射线吸收精细结构谱、软X射线谱显微技术、符合e 湮没多普勒展宽谱、穆斯堡尔谱、高分辨透射电镜及电化学测量等对铁基非晶态合金晶化过程中不同原子的空间分布以及其在晶化过程中的作用机理、合金微观本征结构与力学性能、耐腐蚀性能以及物理性能之间的关系等方面的基本问题进行深入系统的研究，揭示铁基非晶态合金的晶化机制和耐腐蚀行为，阐明微观结构、d-p电子作用以及超精细相互作用对合金的力学性能、耐腐蚀性能以及磁性能的影响，为提高材料的力学性能、耐腐蚀性能、磁性能以及优化合金成分和退火工艺提供理论基础和依据。本研究将有助于深入理解纳米尺度的非晶和纳米晶相及其相互作用的物理化学基础，揭示非晶和纳米晶态合金的物理性能、耐腐蚀性能等与本征结构的依赖关系，为设计开发高性能铁基非晶和纳米晶态合金材料提供科学依据和方法，并为相关产业的发展提供技术支撑。

研究表明，多晶体中疲劳裂纹往往沿晶界萌生。通过对Cu多晶体疲劳断裂行为的研究，Mughrabi等人提出了一种驻留滑移带(PSB)撞击晶界的疲劳裂纹萌生机制(PSB—GB机制)来解释这种沿晶开裂现象，这个模型与中、低应变幅下多晶体疲劳损伤的一些表面滑移事实相吻合。但在大应变幅(5x10^-3以上)下Cu多晶体疲劳裂纹萌生的研究中，Kim和Laird 发现晶界裂纹的产生与晶界两侧晶粒的高度差，即晶界台阶的形成有密切关系，进而提出了一个与PSB—GB机制完全不同的大应变幅下晶界台阶机制。事实上，在较高的应变幅下也能够观察到PSB—GB裂纹阵。显然，对这种沿晶疲劳开裂现象还缺乏足够的认识。由于多晶体晶粒的取向和晶界几何结构难于控制，不便分析和研究。研究采用几何结构简单，且易于控制的双晶体来进一步研究这种沿晶开裂现象，试图为多晶体的疲劳损伤及其机制的认识提供实验基础和理论依据。

倾斜晶界实验方法

利用Birdgman方法生长出大块Cu双晶。用Laue背散射技术确定双晶的晶体取向后(2°偏差)，用电火花线切割机切取一组[134]垂直晶界(见图1a)和两组[134]倾斜晶界(见图1b，c)双晶疲劳试样，其中一组倾斜晶界双晶晶界与加载轴约成25°夹角，称倾斜晶界双晶I，见图1b；另一组倾斜晶界双晶的晶界与加载轴约成50°夹角，称倾斜晶界双晶Ⅱ，见图1c。这样设计可以保证双晶试样的晶界结构滑移系开动条件完全相同，仅仅是双晶晶界与滑移系的相对取向有所改变，从而单独研究晶界取向对双晶体疲劳开裂行为的影响。疲劳试样标距内截面积为6mmx4mm，标距长度12.5mm，夹头部分截面积为6mmx6mm，试样总长度为64mm。

倾斜晶界实验结果

（1）垂直晶界双晶的疲劳开裂行为

SEM观察发现，[134]垂直晶界Cu双晶疲劳裂纹的萌生同驻留滑移带与晶界交互作用密切相关，在承受高、低应变幅循环的疲劳试样表面都观察到许多由滑移带撞击晶界而形成的沿晶疲劳裂纹(PSB一GB裂纹)，这种裂纹形成的几率与应变幅有一定关系，大应变幅下裂纹萌生几率更大一些。图2给出γ_pl=1.8x10^-4和4.1x10^-4两种不同应变幅下的PSB—GB裂纹的形貌。从该图中可以看到，在形成疲劳裂纹的地点，双晶体滑移变形的程度较大。很显然，正是由于这种滑移变形的集中，通过与晶界的反复作用，导致了沿晶开裂。

（2）倾斜晶界双晶的疲劳开裂行为

同垂直晶界类似，晶界同样是两组[134]倾斜晶界Cu双晶疲劳裂纹形成的有利地点，也是疲劳裂纹拓展的有利途径。在某些应变下，晶面观察到少许PSB-GB裂纹的形成，但更多的裂纹似乎与滑移带撞击晶界的作用关系不大。也就是说，晶界台阶机制在倾斜晶界双晶的疲劳开裂中起主要作用，而PSB-GB裂纹的作用较小。

倾斜晶界实验讨论

双晶体变形时在x表面上会产生较大的滑移量，因而产生晶界台阶，导致晶界疲劳裂纹形成。特别是在大应变幅下，由于变形程度和滑移量大，晶界台阶更易形成，因此沿晶开裂更易发生。虽然[134]倾斜晶界双晶的几何参数α和β同垂直晶界双晶完全相同，但观察发现倾斜晶界双晶中PSB—GB裂纹对双晶体的疲劳损伤不起主导作用，说明倾斜晶界双晶体中晶界台阶裂纹较PSB—GB裂纹更易形成，台阶机制占主导作用。

上述倾斜晶界双晶体疲劳开裂行为的实验结果有助于理解多晶体的疲劳裂纹萌生行为和机制。在多晶体中，由于晶粒取向分布复杂，各种几何取向的晶粒都会存在。同倾斜晶界双晶类似，在大应变幅下，由于变形量大，在几何条件有利的倾斜晶界上很容易形成晶界台阶。而与晶界台阶形成相比，PSB—GB裂纹形核和长大较慢，正如Kim和Laird所观察到的，大应变幅下沿晶裂纹往往以台阶机制在倾斜晶界上形成。而在小应变幅下，即使晶粒的几何条件与台阶裂纹形成的几何条件吻合，由于滑移量小，形成的晶界台阶也较小。往往在形成能导致裂纹形核的较大台阶之前，在那些几何条件与PSB—GB机制吻合较好的晶粒内，由于PSB与晶界的反复作用就导致了PSB—GB开裂。所以小应变幅下，对于多晶体的疲劳损伤PSB—GB裂纹更为重要。

倾斜晶界研究结果

（1）受循环应变载荷作用的Cu双晶体，晶界既是疲劳裂纹萌生的有利地点，也是疲劳裂纹扩展的有利路径。

（2）垂直晶界双晶和倾斜晶界双晶疲劳裂纹萌生的机制有所不同。垂直晶界双晶沿晶疲劳裂纹主要由驻留滑移带撞击晶界而产生；而对于倾斜晶界双晶，疲劳裂纹优先以台阶机制形成。造成这种差别的原因同两种双晶体的活动滑移系与晶界的相对几何关系有关。 2100433B

多晶铁氧体材料是由多个细小的晶粒构成，其特性是组成晶粒特性的统计平均效应。因受材料的晶界气孔及晶粒缺陷等因索的影响，很难满足某些特殊场合应用的高性能要求。

单晶材料是一个晶体构成，微观上是原子、分子或离子按一定的晶格周期性的排列；在宏观上体现为具有一定对称性和一定解理面的大晶体。在单晶体内部不含晶界、气孔和有害杂质,晶格完整，所以晶体密度高、耐磨性好、磁性能高，往往比同样组成的多晶材料的磁性能高出很多，能满足某些高性能电子元器件的使用要求，所以得到广泛的应用。

铁氧体单晶是各种基础研究，如测定磁晶各向异性、观则磁畴、铁磁共振试验中必需的样品。铁氧体单晶用在微波器件里。例如制作滤波器。限幅器和延迟线等；采用较大尺寸的MnZn铁氧体单晶制作高性能和高寿命的磁头;正铁氧体单晶用作小型高速电子计算机的磁泡材料；磁性半导体单晶可以作微波集成电路器件和磁光器件。基础研究和应用的扩大，促使了单晶铁氧体制造技术和工艺的研究，使之成为一门备受重视的科学和工艺。

本项目围绕高速铁路散体道床力学行为、状态劣化机理及累积变形规律等关键科学问题，开展了道砟颗粒三维几何形态重构及其离散元模拟方法研究，道砟颗粒静态压碎力学行为及细观机理研究，道砟材料剪切力学行为的室内试验与离散元模拟，高速铁路道砟振动特性的室内试验与离散元模拟，400万次循环作用下散体道床累积变形与道砟劣化的1:1实尺模型试验研究，荷载工况和道砟参数对道床累积变形的影响机制与规律研究，高速铁路有砟轨道几何状态预测分析与控制方法研究。本项目研究建立了高速铁路道砟几何样本库和道砟离散元模型样本库，发展了铁路道砟力学性能试验技术，提出了综合运用离散元、有限元、车辆-轨道耦合动力学的散体道床力学行为模拟新方法与新技术。通过实验研究和数值模拟分析，获得了道床累积变形规律及道砟颗粒磨损与破损劣化统计数据，给出了道砟破碎力学行为的统计特性和细观力学机制，获得了含沙道砟、土工格栅强化道砟直剪力学性能与参数影响机制，揭示了行车速度、荷载条件、道砟级配以及格栅加固等对铁路道砟振动和累积变形的影响规律。项目研究还提出了有砟轨道道床不均匀沉降与钢轨变形映射关系的求解方法，给出了道床沉降导致的轨枕空吊以及车辆通过时轨枕与道床间动态的接触/空吊的状态阈值，提出了基于列车运行动力学品质的不平顺敏感波长及波深控制建议限值。项目研究成果为高速铁路有砟轨道工程设计与养护维修提供了理论支撑和应用参考，其中，关于有砟轨道不平顺的研究成果在中国铁路总公司技术标准《高速铁路有砟轨道不平顺谱》的制订中得到体现。 2100433B