不锈钢表面S相形成机制和外场下稳定性规律研究

奥氏体不锈钢表面处理得到的S相具有优异的综合性能，然而其形成机制及其在使用和服役条件下的稳定性缺乏研究。 首先按原定研究方案，利用三维原子探针和内耗技术研究奥氏体不锈钢形成S 相的纳米团簇形成机制。证明了S相中过饱和碳是种偏聚并没有析出，偏聚过程是可逆的（碳浓度从高到低），而且碳的偏聚和其它合金元素没有直接的关系。在奥氏体中的碳扩散系数随碳含量增加而增大的原因除了考虑合金元素对碳的扩散系数影响及扩散导致的弹性应力场的作用以外，主要原因是面缺陷（孪晶与层错）成为碳原子的快速扩散通道。纳米团簇机制的揭示有助于增加对S相形成机制的理解。 其次，研究S 相在外加应力场（等静压和拉应力）和温度场等多物理场作用下的S 相稳定规律。证明了等静压作用下碳扩散受到抑制，通过不同温度下扩散系数的关系计算其扩散激活能，结果表明受等静压作用的碳的扩散激活能大于无压力情况，且扩散激活能在碳含量较高时由于面缺陷（孪晶与层错）与碳原子的相互依存作用突然降低。在拉应力作用下S相的厚度随着拉应力的增加而增加，拉应力可以促进碳原子在S相中的扩散，同时能够形成许多纳米尺度的孪晶，从而增加表层的硬度。 第三，研究了S相在高载荷下磨损性能。奥氏体不锈钢基体在压应力与滑动切应力作用下发生了剧烈的塑性变形，甚至会发生马氏体相变；而在大载荷磨损后S相没有发生明显的塑性变形和马氏体相变，具有很好的机械与相稳定性。 最后，运用电化学充氢、慢速率拉伸与EBSD、气相氢渗透等实验系统研究了S相的氢脆行为。S相能够提高抗氢脆能力且渗碳S相的抗氢脆效果比渗氮S相更好。分析其原因是稳定的S相能抑制亚稳奥氏体不锈钢表面氢致马氏体相变，减小裂纹形核的可能性，并有效降低氢的渗透。 项目对于S相形成机制的研究达到预定目标，研究外加应力场与温度场作用下的稳定性的结果以及在特殊环境下的服役性能（重载磨损、氢脆）的探索具有理论创新和实用价值。

通过低温渗碳或渗氮技术在奥氏体不锈钢表面得到的S相，具有优异的综合性能（超高硬度、抗磨损、耐疲劳和耐腐蚀性），在医学，生物，能源等领域有广泛的应用前景。S相是间隙原子在奥氏体基体中的过饱和固溶亚稳相（含碳12at.%,含氮25at.%），对S相形成机制及其在使用和服役条件下的稳定性尚不清楚。本项目用电镜分析技术表征S相的微观结构，三维原子探针分析合金元素分布，利用内耗及力学谱分析获得置换与间隙原子交互作用能等物理参数，研究渗碳奥氏体不锈钢形成S相的纳米团簇形成机制，揭示S相的形成规律及其影响因素；在此基础上，研究S相在外加应力场或（和）温度场等多物理场作用下的结构演变和性能变化，探索在多物理场下S相的稳定条件和组织转变规律。本项目对S相形成机制及其在外场作用下稳定性的研究，不仅可望揭示奥氏体过饱和亚稳固溶体S相的形成机制，而且有利于进一步优化工艺、推广S相在各领域中的应用。

电价形成机制改革的前提是对电力资产重组和企业再造，其核心是发、输配、供分开，从而形成发电侧、供电侧多家竞争，输配电网区域性垄断经营的所谓“两侧竞争、中间垄断”的格局。电价形成机制要引人竞争，并遵循电力供求与电价间的互动规律，电力供求变化

会影响电价升降;反之，电价变动也会影响电力供求突化。电力供给大于电力需求，电力供给者(发电商)竞争，使电价下降;电力供给小于电力需求，电力需求者(消费者)竞争，使电价上升;电力供给等于电力需求，电力供求达到平衡。电价上升，电力供给增加，电力需求减小;电价下降，电力供给减小，电力需求增加。显然，电力供求与电价也遵循市场经济的一般规律那样呈现双向互动规律。英国电力市场由全部电量现货交易改为期货交易与现货交易相结合的经验;美国加州压低定死终端用户电价，从而引发电力紧张甚至停电的教训，究其原因都是违背电力供求与电价互动规律所致。

强磁场能影响合金中的各种中短程有序结构的形成，为调控非晶合金的微观组织和性能提供了一种有效手段。在本项目执行期间，制备了多种锆基、稀土基、铁钴基及铁基非晶合金，研究了部分合金的玻璃形成能力、热稳定性和性能，着重研究了强磁场对Zr60Cu20Ni10Al10、Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5、RE55Al25Co20、(Fe0.36Co0.36B0.192Si0.048Nb0.04)100-xCux、Fe84B10C6、Fe83B10C6Cu1、Fe76C7Si3.3B5P8.7和Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7等非晶合金的微观组织和性能的影响，发现强磁场对不同非晶合金的微观组织和性能的影响规律不同。研究发现，强磁场并未改变两种锆基块体非晶合金的最终晶化产物，但通过抑制晶化相的长大而抑制了晶化反应的进行。强磁场促进了稀土基非晶合金Nd55Al25Co20、Gd55Al25Co20和La55Al25Co20中晶化相的形成。在本项目所用实验条件下，强磁场对FeCo基非晶合金的晶化过程和磁性能无显著影响。强磁场明显促进了Fe基非晶合金中α-Fe相的形成，这种促进作用在晶化温度附近最显著。强磁场对不同铁基非晶合金中α-Fe形成的影响机制有所不同。在Fe84B10C6非晶合金中，强磁场促进了α-Fe的形核，而对α-Fe的平均晶粒尺寸无明显影响；在Fe83B10C6Cu1非晶合金中, 强磁场促进了α-Fe相的形核和长大，但未改变Fe83B10C6Cu1合金的晶化机制；在本项目所用实验条件下，FeBC(Cu)合金退火后的软磁性能恶化；强磁场促进了Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7非晶合金中α-Fe相的形核，同时细化了α-Fe晶粒，但并未改变其晶化机制；在合适的条件下，强磁场明显提高了Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7合金的软磁性能。在初始晶化阶段，Fe84B10C6、Fe83B10C6Cu1、Fe76C7Si3.3B5P8.7和Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7四种铁基非晶合金的JMA指数分别为2.455、3.285、1.69和2.47，其晶化机制不同。这些结果对利用强磁场来调控非晶合金的微观组织和性能提供了支持。

研究表明：强磁场影响了合金熔体中的原子团簇结构及非晶合金的形成和晶化过程。基于强磁场对铁磁性和非铁磁性合金的影响机理可能不同，本项目以锆基、稀土基及铁基非晶合金为研究对象，利用微观组织分析技术和相变理论来研究强磁场对合金凝固组织的影响，通过对比非晶样品的室温压缩行为、泊松比、磁性能、低温晶化行为等来分析强磁场对非晶合金区域性微结构的影响，旨在建立非晶合金微观组织及区域性微结构与磁场条件、合金体系、冷却方式等的联系，明确强磁场对非晶合金的微观组织及区域性微结构的影响，了解强磁场对不同类型合金作用机制的异同，揭示强磁场对非晶合金形成的影响规律，达到利用强磁场来提高合金的非晶形成能力、调制非晶合金微结构的目的，为利用强磁场改善块体非晶合金性能和开发新材料提供基础。