溶質元素(雜質或合金元素)在晶界上的偏聚對工程材料的力學行為有著深刻的影響,多年來一直是冶金工作者和材料學工作者感興趣的問題。溶質原子的晶界偏聚可分為平衡晶界偏聚和非平衡晶界偏聚。對平衡偏聚的研究起步比較早,理論趨于成熟,但對非平衡偏聚的研究目前還存在很多空白和未知的領域,尤其是應力作用引起的非平衡晶界偏聚。以前研究的晶界偏聚行為主要是無應力狀態下的,但材料在服役過程中通常要受到應力的作用。因此,研究應力引起的非平衡晶界偏聚對工程實踐具有更重要的意義。Cr-Mo低合金結構鋼由于其優異的高溫力學性能而廣泛應用于電力、核能及石油化學工業。然而,當材料在高溫高壓環境中服役時,P、S、Sn和Sb等雜質元素將在晶界偏聚,使晶界脆化,導致材料的斷裂韌性降低,韌-脆轉變溫度升高。晶界脆化降低了材料的服役性能,使其更容易發生突然的脆性斷裂,引起嚴重的事故。P是鋼中一種典型的晶界致脆元素,研究鋼中P在高溫高壓條件下的偏聚行為不僅可以用來指導工程實踐,還可以完善晶界偏聚理論。鑒于2.25Cr1Mo鋼是最廣泛使用的Cr-Mo低合金結構鋼之一,本文研究了該鋼中P的平衡晶界偏聚和應力引起的非平衡晶界偏聚。對于平衡晶界偏聚,將試樣經過980℃淬火和650℃回火后,在480、520和560℃分別時效不同的時間,然后用俄歇電子能譜儀測量P和Mo的晶界濃度。利用Seah模型對不同條件下的P和Mo的晶界濃度進行分析,得到P和Mo的偏聚自由能分別為38和17kJ/mol;P-Mo相互作用系數很小,它們之間的相互作用很弱。探討了P晶界濃度與韌-脆轉變溫度之間的關系。將不同時效條件下的試樣進行沖擊試驗并用掃描電子顯微鏡對斷口表面進行觀察,通過斷口形貌分析得到韌-脆轉變溫度(斷口形貌轉變溫度)。通過比較不同條件下的韌-脆轉變溫度與P晶界濃度數據發現,韌-脆轉變溫度與P晶界濃度之間存在一個線性關系。利用該線性關系,結合平衡晶界偏聚動力學模型,建立了一個溫度-時間脆化圖。利用該圖,可以預測任意溫度下經過任意時間后的韌-脆轉變溫度。探討了P晶界偏聚對沿晶斷裂的影響,發現P晶界偏聚促進沿晶斷裂,并且隨著沖擊試驗溫度的降低,斷口依次呈現韌性斷裂、沿晶斷裂和解理斷裂。對于應力引起的非平衡晶界偏聚,將試樣經過980℃淬火和650℃回火后,在520℃無應力時效1000h使晶界濃度達到熱力學平衡,然后在40、200和350MPa拉應力下分別時效不同的時間,用俄歇電子能譜儀測量P晶界濃度,得到P偏聚動力學。40MPa拉應力引起的偏聚動力學有一個偏聚峰;350MPa拉應力引起的偏聚動力學有兩個偏聚峰;200MPa拉應力引起的偏聚動力學有兩個偏聚峰和一個貧化谷。同時測量了這些條件下的蠕變曲線,40MPa拉應力下幾乎不發生蠕變,200和350MPa拉應力下發生了蠕變,且350MPa拉應力下的蠕變更加明顯。綜合分析后認為在應力時效過程中,彈性變形和蠕變變形共同影響P的偏聚動力學。通過考慮空位流和復合體流,建立了一個低應力引起的非平衡晶界偏聚動力學模型。利用該模型,可以預測不同條件(應力、溫度、晶粒尺寸、空位遷移能和復合體的遷移能等)下的偏聚動力學。模擬了40 MPa拉應力下的P偏聚動力學,結果與實驗符合良好。本工作的完成促進了晶界偏聚和晶界脆化現象的認識,進一步完善了晶界偏聚理論,對工程實踐具有重要的指導意義。