金屬材料

Q&P工藝處理低碳CrNi3Si2MoV鋼中馬氏體的研究

王存宇，時捷，曹文全，等

摘要：目的：Q&P（淬火+配分）是一種可提高馬氏體鋼的塑韌性的熱處理工藝。通過不完全淬火獲得部分馬氏體，再控制C從先形成馬氏體向未轉(zhuǎn)變奧氏體配分，最終淬火至室溫得到由一次淬火馬氏體、二次淬火馬氏體和殘余奧氏體相構(gòu)成的多相組織。以低碳CrNi3Si2MoV鋼為例，表征Q&P工藝處理后的一次和二次淬火馬氏體，探討二次淬火馬氏體在單軸拉伸過程中的作用。方法：采用膨脹法測量Ms和Mf溫度。試樣經(jīng)900℃加熱后，立即放入200～350℃的鹽浴爐淬火，再馬上放入500℃鹽浴爐中配分，最后水淬至室溫。采用SEM、TEM和EBSD表征鋼的微觀形貌和相的分布、XRD測量殘余奧氏體含量、納米壓痕儀表征一次和二次馬氏體的硬度、三維白光表面形貌儀表征了馬氏體的三維形貌。用單軸拉伸試驗測試力學(xué)性能。結(jié)果：經(jīng)Q&P工藝處理后，除了板條馬氏體以外，還獲得尺寸為1～3 μm較難腐蝕的塊狀組織，200℃回火后塊狀組織變易腐蝕，EBSD顯示塊狀組織為bcc或bct結(jié)構(gòu)，推斷一次淬火馬氏體因在配分過程中發(fā)生回火而易腐蝕，二次淬火馬氏體呈塊狀特征因呈淬火態(tài)而不易腐蝕。硝酸酒精腐蝕條件下，相對于一次淬火馬氏體，二次淬火馬氏體高度約300～500 μm，EDS線掃描顯示其具有更高的碳含量。TEM表征顯示二次淬火馬氏體細(xì)微結(jié)構(gòu)為寬度0.1～0.2 μm的板條馬氏體，且馬氏體板條取向基本相同，屬于一個馬氏體領(lǐng)域。納米壓痕測試顯示二次淬火馬氏體平均硬度 7.1 GPa，明顯高于一次淬火馬氏體3.9 GPa的平均值。Q&P工藝的第一次淬火過程中一次淬火馬氏體將奧氏體晶粒分割成尺寸不均勻的若干區(qū)域，配分過程中一次淬火馬氏體中的C向未轉(zhuǎn)變奧氏體中配分，馬氏體相變的不均勻特點導(dǎo)致尺寸較大的奧氏體穩(wěn)定性較差，在最終淬火過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊瘃R氏體，呈現(xiàn)塊狀形貌。隨著一次淬火溫度從 200℃升高到350℃，二次馬氏體的數(shù)量和尺寸逐漸增加，抗拉強度有1370 MPa升高至1430 MPa，而斷后伸長率在15.5%～17.0%之間波動，表明二次馬氏體在單軸拉伸過程中起到了一定的強化作用，而沒有導(dǎo)致塑性降低。觀察了單軸拉伸樣品非均勻變形的裂紋的形核與擴展行為，不同應(yīng)變條件下，微孔洞主要由大尺寸Nb、Ti和V的碳氮化物和Al、Mg的氧化物引起，即使在應(yīng)變?yōu)?.87的樣品中也未觀察到與二次淬火馬氏體有關(guān)的裂紋形核與擴展現(xiàn)象。結(jié)論：Q&P工藝處理低碳CrNi3Si2MoV鋼中，二次淬火馬氏體成淬火態(tài)特征，不易腐蝕，由1個馬氏體領(lǐng)域構(gòu)成，馬氏體板條寬度為0.1～0.2 μm，含碳量和納米硬度均高于一次淬火馬氏體，其數(shù)量和尺寸隨著淬火溫度的升高而增大。單軸拉伸變形中，夾雜物及氧化物是產(chǎn)生微孔洞的原因，二次淬火馬氏體不是脆性相，而起到強化作用。

來源出版物：金屬學(xué)報, 2011, 47(6): 720-726

入選年份：2016

低碳鋼中殘余奧氏體的調(diào)控及對力學(xué)性能的影響

任勇強，謝振家，尚成嘉

摘要：目的：高性能鋼鐵材料的發(fā)展需要實現(xiàn)高強度、高塑性以及高韌性的有機結(jié)合，而含有特定比例殘余奧氏體的多相組織在提高鋼材塑韌性方面的作用非常有效。本文旨在0.23C-1.8Mn-1.35Si低碳低合金鋼中發(fā)展含殘余奧氏體的多相組織調(diào)控路線，探索低碳低合金鋼中殘余奧氏體調(diào)控工藝技術(shù)，并通過獲得穩(wěn)定的殘余奧氏體組織改善低碳低合金鋼的強-塑-韌性。方法：試驗用0.23C-1.8Mn-1.35Si鋼采用25 kg真空感應(yīng)爐冶煉，將鑄錠鍛造成60 mm×80 mm×240 mm的長方坯，后重新加熱到1250℃均勻化1 h，1100℃開軋，經(jīng)過6個道次熱軋形成6 mm厚的鋼板。終軋溫度為860℃，軋后空冷至室溫。實驗鋼經(jīng)900℃再加熱保溫30 min后淬火至室溫以獲得完全馬氏體組織。對比研究兩相區(qū)再加熱—淬火—配分（IQ&P）和兩相區(qū)再加熱—淬火—回火（IQ&T）工藝技術(shù)對殘余奧氏體及性能的影響，具體工藝如下：（a）對IQ&P工藝，將樣品加熱到兩相區(qū)770℃保溫15 min，隨后水淬至300℃，再迅速放入箱式電阻爐中300℃等溫處理15 min，最后空冷至室溫；對IQ&T工藝，770℃兩相區(qū)保溫 15 min后淬火至室溫，再在300℃低溫回火 15 min。對不同熱處理工藝步驟的試樣進(jìn)行常溫拉伸性能檢測，以及采用SEM、EBSD和XRD技術(shù)對熱處理過程中顯微組織進(jìn)行表征。結(jié)果：SEM顯微組織分析表明，經(jīng)過直接淬火處理的鋼呈現(xiàn)出板條狀的馬氏體組織結(jié)構(gòu)特征，兩相區(qū)770℃退火15 min后淬火而獲得針狀的亞溫鐵素體（IF）以及馬氏體（M）雙相組織，在300℃對該雙相鋼進(jìn)行15 min短時回火處理后，回火馬氏體組織（TM）內(nèi)部顯現(xiàn)出了彌散析出的碳化物。SEM和XRD結(jié)果表明，IQ&P工藝處理的鋼獲得了亞溫鐵素體（IF）、有碳化物析出的回火馬氏體（TM）、未回火馬氏體（UM，也稱二次馬氏體）及14%的殘余奧氏體（RA）的多相、多尺度顯微組織。XRD分析不同熱處理步驟后殘余奧氏體含量及其中碳含量結(jié)果表明，經(jīng)過300℃的15 min低溫回火（IQ&T）處理，鋼中的殘余奧氏體含量較回火前的IQ鋼出現(xiàn)明顯下降（～5.5%至～2%），且剩余殘余奧氏體的平均含C量有了顯著的升高（由1.32%上升到1.45%）。經(jīng)過IQ&P處理所得的鋼，殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)（14%）以及殘余奧氏體中的 C含量（1.64%）。真應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析表明，IQ&P試樣更具有持續(xù)的加工硬化能力，因而具有較高的強塑性。EBSD對IQ&P試樣拉伸前后分析表明，在拉伸過程中，隨形變量的增大，殘余奧氏體在逐步增大的內(nèi)應(yīng)力的作用下逐步發(fā)生了向馬氏體的相變，從而提高其強塑性。IQ&P鋼的具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，其強塑積超過了26 GPa·%，屈服強度大于600 MPa，抗拉強度達(dá)到900 MPa，均勻延伸達(dá)到16%以上，常溫半厚沖擊功達(dá)到了 39 J。結(jié)論：經(jīng)淬火+兩相區(qū)再加熱—淬火—配分（IQ&P）工藝處理后，在0.23C-1.8Mn-1.35Si鋼中獲得了由亞溫鐵素體、馬氏體以及殘余奧氏體等組成的多相組織，其體積分?jǐn)?shù)達(dá)到14%。殘余奧氏體的獲得主要得益于：（1）亞溫退火階段逆轉(zhuǎn)變組織中奧氏體的富Mn富C；（2）淬火-配分階段殘留奧氏體在配分過程中的二次富C。由于廣為分布的殘余奧氏體在形變過程中的TRIP效應(yīng)，使得該類鋼種在拉伸變形過程中獲得了較強的持續(xù)加工硬化能力，進(jìn)而實現(xiàn)了強度-塑性-韌性的良好結(jié)合。

來源出版物：金屬學(xué)報, 2012, 48(9): 1074-1080

入選年份：2016

TC4鈦合金軋板的織構(gòu)對動態(tài)力學(xué)性能影響

尤振平，惠松驍，葉文君，等

摘要：目的：鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能好及綜合力學(xué)性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、機械加工及兵器工業(yè)等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料經(jīng)常會承受高速沖擊載荷，要求其在規(guī)定的沖擊載荷下能保證結(jié)構(gòu)的完整性和連續(xù)性，具有要求的動態(tài)承載能力。材料在涉及沖擊載荷的高速變形中經(jīng)常出現(xiàn)絕熱剪切（adiabatic shearing）現(xiàn)象。絕熱剪切帶（adiabatic shear band，ASB）的出現(xiàn)和發(fā)展常常意味著材料承載能力的下降或喪失，是材料出現(xiàn)斷裂的先兆。而鈦合金的性能主要取決于相的組成、形態(tài)、分布以及位錯、織構(gòu)等微結(jié)構(gòu)特征，不同織構(gòu)特征的鈦合金的性能有著很大差異。因此利用分離式的Hopkinson壓桿對不同織構(gòu)特征的 TC4鈦合金進(jìn)行研究，分析高應(yīng)變率條件下不同的織構(gòu)特征與形成絕熱剪切帶的關(guān)系。方法：將不同織構(gòu)特征的TC4鈦合金制備成圓柱體試樣，在Hopkinson壓桿上進(jìn)行高速動態(tài)壓縮試驗。試驗后，將試樣沿直徑方向切開制備金相試樣，進(jìn)行顯微觀察分析。結(jié)果：950℃軋制的TC4板材，無明顯織構(gòu)，其 RD、TD、ND方向的動態(tài)力學(xué)性能及絕熱剪切敏感性差別不明顯。900℃軋制板材的主織構(gòu)為，織構(gòu)強度 10.557，次織構(gòu)為，織構(gòu)強度 5.270；1050℃軋制板材的主織構(gòu)為，織構(gòu)強度為15.333，次織構(gòu)為，織構(gòu)強度 8.070，由于織構(gòu)強度較高，軋板存在明顯的各向異性：TD方向的動態(tài)流變應(yīng)力最大，ND次之，RD最低；RD方向發(fā)生絕熱剪切失效前所吸收的能量最多，ND次之，TD最小，說明RD方向具有相對較低的絕熱剪切敏感性和較好的抗絕熱剪切失效能力。結(jié)論：950℃軋制的TC4板材，無明顯織構(gòu)，其RD、TD、ND方向的動態(tài)流變應(yīng)力、動態(tài)均勻塑性應(yīng)變、吸收功差別不明顯，板材各方向動態(tài)力學(xué)性能的均勻性較好?？棙?gòu)特征對TC4板材各方向動態(tài)性能的均勻性影響較大：TD方向的動態(tài)流變應(yīng)力最高，ND次之，RD最低；RD方向的動態(tài)均勻塑性應(yīng)變、吸收功最大，ND次之，TD最小。

來源出版物：稀有金屬, 2012, 36(1): 31-35

入選年份：2016

Inconel 718高溫合金中析出相演變研究進(jìn)展

劉永長，郭倩潁，李沖，等

摘要：Inconel 718高溫合金廣泛應(yīng)用于航空、航天、電力和國防等領(lǐng)域中復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造，其高溫抗疲勞性能和蠕變持久強度與成形加工過程中微觀組織的演變密切相關(guān)。以往的研究側(cè)重于鎳基合金熱加工（如定向凝固、熱處理、鍛造和焊接等）工藝參數(shù)的優(yōu)化，較少從析出相控制的角度來闡明冷軋、熱變形、焊接等工藝與高溫服役性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。本文首先介紹了Inconel 718高溫合金中的不同類型的析出相，包括：主要強化相-γ′′ 相、輔助強化相-γ′ 相、γ′′ 相的平衡相（δ相）相，以及 MX 型碳氮化物和 Laves相。高密度的細(xì)小γ′′相決定著鎳基合金的高溫性能，過量δ相的析出將消耗過多的沉淀強化元素而使合金的性能急劇下降。合金的熱加工參數(shù)、熱變形類型均會對δ相的析出形貌、尺寸、含量產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響 γ′′ 相和 γ′ 相的析出順序。冷變形將提高δ相的形核速率并降低其臨界形核能，促進(jìn)δ相的析出與粗化。隨著冷變形量的增大，γ′′ 相的析出溫度逐漸降低，冷變形促進(jìn)了 γ′′ 相的形核過程。γ′′ 相的析出將導(dǎo)致貧 Nb區(qū)域的形成，延緩 δ相的析出，同時δ相的析出還由再結(jié)晶效應(yīng)決定；950℃時效過程中，δ相的析出量呈遞增趨勢且析出形貌由長條狀逐漸變?yōu)槎贪魻罨蚯驙睢＆南嗟男蚊才c鎳基合金的高溫性能密切相關(guān)，棒狀δ相會促進(jìn)微孔形核，應(yīng)變程度相對較大時誘發(fā)微孔聚集并導(dǎo)致塑性降低，而針狀 δ相可以阻止晶粒長大、微孔的形核和擴展。適量的δ相有利于改善Inconel 718高溫合金的抗疲勞性能，過量δ相的存在將致在其周圍形成貧 γ′′ 相區(qū)并降低了合金的抗疲勞性能。此外，γ′′ 相的尺寸也與合金高溫疲勞過程中的循環(huán)軟化行為密切相關(guān)。δ相對Inconel 718高溫合金抗蠕變性能的影響尚未有一致的定論，一般認(rèn)為δ相的存在不利于合金的抗蠕變性能，也有學(xué)者指出少量沿晶界析出的球狀δ相可提高合金的塑性，起到釘扎作用并控制晶粒尺寸大小，延長高溫蠕變壽命。對于Inconel 718高溫合金而言，高能量液態(tài)焊的電子束焊接技術(shù)具有低于普通電弧焊的能量輸入，其熔池區(qū)和熱影響區(qū)較小，焊接殘余應(yīng)力和變形較低，同時較低的能量輸入會導(dǎo)致熔合區(qū)具有較高的冷卻速率，減小了熔合區(qū) Laves相的含量和尺寸。本研究組的前期研究了不同母材晶粒尺寸大小和焊接掃描速度對電子束焊 Inconel 718高溫合金焊接接頭組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)電子束焊熔池的深度隨母材晶粒尺寸的增大而增大，而焊接速度與熔池區(qū)幾何形狀之間無明顯的對應(yīng)關(guān)系。焊接速度將顯著影響Inconel 718高溫合金熔池中心的元素分布。隨著焊接速度的減小，成分偏析現(xiàn)象加劇。電子束焊試樣熱影響區(qū)的微裂紋傾向于在晶界處萌生并沿著晶界分布，提高焊接速度將增加電子束焊接頭熱影響區(qū)的裂紋敏感性。

來源出版物：金屬學(xué)報, 2016, 52(10): 1259-1266

入選年份：2016

Ce和Re對CoNiCrAlY合金1000℃氧化行為的影響

張玉朵，張弛，汪海鋒，等

摘要：目的：熱障涂層已廣泛用于燃?xì)廨啓C的渦輪葉片等高溫部件。典型的熱障涂層體系由涂覆于基底上的金屬粘結(jié)層和陶瓷頂層組成。金屬粘結(jié)層用以緩沖陶瓷層與基體之間較大的熱膨脹系數(shù)差異，起到粘結(jié)過渡的作用；同時，在高溫服役過程中，粘結(jié)層表面會形成一個穩(wěn)定的熱生長氧化物（TGO）層，兼具抗高溫氧化和熱腐蝕的功能。隨著粘結(jié)層氧化物的生長，氧化膜內(nèi)部產(chǎn)生生長應(yīng)力，以及由于各層材料熱膨脹的不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致 TGO層發(fā)生翹曲、剝離，從而引起熱障涂層系統(tǒng)失效。粘結(jié)層材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)對服役過程中 TGO的生長速率、成分、完整性、與基體的結(jié)合力和剝落行為都起著決定性的作用。本文研究了典型的粘結(jié)層材料 CoNiCrAlY合金1000℃高溫氧化行為以及添加適量Ce和Re元素對其抗氧化性能和氧化機制的影響。方法：采用商用合金粉末，添加適量合金元素，通過真空燒結(jié)和真空電弧爐反復(fù)熔煉獲得合金鑄錠，并對合金進(jìn)行真空熱處理（1120℃，2 h；850℃，24 h）。將不同成分的合金鑄錠加工成直徑為10 mm、厚度為1 mm的試樣，在1000℃空氣氣氛下進(jìn)行恒溫氧化增重實驗。實驗過程中，每隔一定時間將一組試樣取出冷卻，并用精度為0.01 mg的電子天平稱重，記錄氧化增重結(jié)果，繪制氧化動力學(xué)曲線。氧化實驗后，采用X射線衍射（XRD）分析氧化產(chǎn)物相組成。在掃描電鏡（SEM）二次電子（SE）和背散射（BSE）成像模式下觀察氧化膜表面形貌和截面結(jié)構(gòu)，并用X射線能譜（EDS）對氧化產(chǎn)物進(jìn)行成分分析。結(jié)果：對4種添加元素前后合金的1000℃空氣氧化動力學(xué)和氧化產(chǎn)物進(jìn)行分析，結(jié)果如下，（1）當(dāng)前氧化條件下，合金氧化動力學(xué)可以劃分為兩個階段，氧化初期，氧化產(chǎn)物主要為亞穩(wěn)態(tài)θ-Al2O3和少量尖晶石等混合氧化物，氧化速率較快；穩(wěn)定氧化階段，θ-Al2O3轉(zhuǎn)化成穩(wěn)態(tài)α-Al2O3，氧化速率明顯降低，并遵循拋物線氧化規(guī)律。（2）Ce使得CoNiCr8AlY合金的穩(wěn)定階段拋物線氧化速率常數(shù)由 3.3×10-13g2·cm-4·s-1降低為 1.5×10-13g2·cm-4·s-1，Ce和 Re的共同作用使得含 Re合金 CoNiCr6AlYRe氧化速率常數(shù)降低更為顯著，由 2.8×10-13g2·cm-4·s-1降低為 7.5×10-14g2·cm-4·s-1。（3）當(dāng)前氧化條件下，CoNiCrAlY合金表面形成了單一連續(xù)的 Al2O3保護(hù)膜，而CoNiCrAlYRe合金表面則形成了富Cr的氧化物外層+Al2O3內(nèi)層的雙層氧化膜結(jié)構(gòu)，基體貧Al區(qū)生成了少量的（Al，N）化合物?；钚栽谻e的加入促進(jìn)了Al的選擇性氧化，加速了氧化反應(yīng)初期的氧化速率，加快了亞穩(wěn)態(tài)θ-Al2O3向穩(wěn)態(tài) α-Al2O3的相轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)保護(hù)性單一Al2O3膜的更快形成。結(jié)論：在典型熱障涂層粘結(jié)層材料CoNiCrAlY合金中適量添加Ce元素，能夠促進(jìn)保護(hù)性單一 Al2O3氧化膜的更快形成，明顯降低氧化速率常數(shù)。Ce在Re存在的條件下對合金的抗氧化性能改進(jìn)效果更加顯著。

來源出版物：稀有金屬, 2016, 40(5): 409-414

入選年份：2016