溶质元素(杂质或合金元素)在晶界上的偏聚对工程材料的力学行为有着深刻的影响,多年来一直是冶金工作者和材料学工作者感兴趣的问题。溶质原子的晶界偏聚可分为平衡晶界偏聚和非平衡晶界偏聚。对平衡偏聚的研究起步比较早,理论趋于成熟,但对非平衡偏聚的研究目前还存在很多空白和未知的领域,尤其是应力作用引起的非平衡晶界偏聚。以前研究的晶界偏聚行为主要是无应力状态下的,但材料在服役过程中通常要受到应力的作用。因此,研究应力引起的非平衡晶界偏聚对工程实践具有更重要的意义。Cr-Mo低合金结构钢由于其优异的高温力学性能而广泛应用于电力、核能及石油化学工业。然而,当材料在高温高压环境中服役时,P、S、Sn和Sb等杂质元素将在晶界偏聚,使晶界脆化,导致材料的断裂韧性降低,韧-脆转变温度升高。晶界脆化降低了材料的服役性能,使其更容易发生突然的脆性断裂,引起严重的事故。P是钢中一种典型的晶界致脆元素,研究钢中P在高温高压条件下的偏聚行为不仅可以用来指导工程实践,还可以完善晶界偏聚理论。鉴于2.25Cr1Mo钢是最广泛使用的Cr-Mo低合金结构钢之一,本文研究了该钢中P的平衡晶界偏聚和应力引起的非平衡晶界偏聚。对于平衡晶界偏聚,将试样经过980℃淬火和650℃回火后,在480、520和560℃分别时效不同的时间,然后用俄歇电子能谱仪测量P和Mo的晶界浓度。利用Seah模型对不同条件下的P和Mo的晶界浓度进行分析,得到P和Mo的偏聚自由能分别为38和17kJ/mol;P-Mo相互作用系数很小,它们之间的相互作用很弱。探讨了P晶界浓度与韧-脆转变温度之间的关系。将不同时效条件下的试样进行冲击试验并用扫描电子显微镜对断口表面进行观察,通过断口形貌分析得到韧-脆转变温度(断口形貌转变温度)。通过比较不同条件下的韧-脆转变温度与P晶界浓度数据发现,韧-脆转变温度与P晶界浓度之间存在一个线性关系。利用该线性关系,结合平衡晶界偏聚动力学模型,建立了一个温度-时间脆化图。利用该图,可以预测任意温度下经过任意时间后的韧-脆转变温度。探讨了P晶界偏聚对沿晶断裂的影响,发现P晶界偏聚促进沿晶断裂,并且随着冲击试验温度的降低,断口依次呈现韧性断裂、沿晶断裂和解理断裂。对于应力引起的非平衡晶界偏聚,将试样经过980℃淬火和650℃回火后,在520℃无应力时效1000h使晶界浓度达到热力学平衡,然后在40、200和350MPa拉应力下分别时效不同的时间,用俄歇电子能谱仪测量P晶界浓度,得到P偏聚动力学。40MPa拉应力引起的偏聚动力学有一个偏聚峰;350MPa拉应力引起的偏聚动力学有两个偏聚峰;200MPa拉应力引起的偏聚动力学有两个偏聚峰和一个贫化谷。同时测量了这些条件下的蠕变曲线,40MPa拉应力下几乎不发生蠕变,200和350MPa拉应力下发生了蠕变,且350MPa拉应力下的蠕变更加明显。综合分析后认为在应力时效过程中,弹性变形和蠕变变形共同影响P的偏聚动力学。通过考虑空位流和复合体流,建立了一个低应力引起的非平衡晶界偏聚动力学模型。利用该模型,可以预测不同条件(应力、温度、晶粒尺寸、空位迁移能和复合体的迁移能等)下的偏聚动力学。模拟了40 MPa拉应力下的P偏聚动力学,结果与实验符合良好。本工作的完成促进了晶界偏聚和晶界脆化现象的认识,进一步完善了晶界偏聚理论,对工程实践具有重要的指导意义。