FeCr合金时效硬化与微观结构的关系研究

2021-02-04孙丽娟丁小明陈冬生杜旭初

工业加热 2021年1期

孙丽娟，丁小明，陈冬生，黄粒，杜旭初

(中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)

高Cr铁素体不锈钢具有优良的抗辐照性能和高温强度，是核电站冷却管道等部位的重要结构材料[1-4]。在辐照和高温条件下，Fe-Cr合金会产生富Cr的沉淀相α’相，导致不锈钢塑、韧性和耐蚀性降低[5-9]。475 ℃ 时效脆性成为制约铁素体钢应用的一个至关重要的因素。这种脆性是由于铁素体相在时效300～550 ℃过程中分解成富铬相α′和富铁相α[10-12]。富Cr析出物的产生会造成显著的硬化和韧性的降低[13-14]。Williams等人用Mössbauer 研究了475 ℃ 时效对铁铬合金的影响，总结出含铬12%～29%的Fe-Cr合金的时效相分解通过形核长大的方式进行[15]。

很少有研究揭示Fe-Cr相分解的微观结构，因为Fe和Cr具有相近的晶格常数，α′相与铁基体之间有微弱的应力场，这也限制了投射电子显微镜(TEM)对于时效早期Fe-Cr相分解的微观结构的研究[16-17]。本文利用TEM研究了长期时效对Fe-Cr 合金微观结构的影响，并结合JMatPro模拟软件计算探讨了铁铬相分解与时效硬化的定量关系。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验用的Fe-Cr合金是由99.995%的纯铁和99.999%的纯铬用真空氩气电弧炉熔炼得到的。表1所示的是Fe-Cr合金的化学成分，因铬含量在15%，故命名为Fe-15Cr 合金。所得到的纽扣锭先在1 100 ℃均匀化热处理72 h，然后经过变形量约80%的冷轧，接着在900 ℃退火2 h，最后用冰水淬火。在获得的薄板上冲压获得微小拉伸实验件，样品尺寸如图1所示。所有样品封在高真空(10-4Pa)石英管里，在450 ℃时效，时效时间长达10 000 h。

1.2 实验方法

拉伸实验是用一种INTESCO拉伸试验机，在室温条件下以0.2 mm/min的拉伸速度进行的。所有的屈服强度数据都是三组数据的平均值。微观结构观察是在JEOL TEM 2010下进行的，所用的双喷液是醋酸和高氯酸按9∶1的体积比配置而成。

表1 Fe-15Cr 合金的化学成分 %

图1 微小拉伸实验件的几何尺寸

2 实验结果与分析

2.1 拉伸实验

如图2所示，随着时效时间的延长，Fe-15Cr合金表现出明显的时效硬化现象。具体表现为合金的屈服强度经5 000 h时效后几乎增加了一倍。合金的硬化可以分为三个阶段：①孕育期，时效时间短于500 h，合金几乎没有硬化；②强化期，时效时间大于500 h小于5 000 h，合金的屈服强度由200 MPa增加到400 MPa；③软化期，时效时间大于5 000 h，此时处于过时效期，合金的屈服强度不再上升，甚至有所降低。

2.2 微观结构

为了揭示合金硬化过程中的微观结构变化，有必要用投射电镜做细致的分析。图3所示的是Fe-15Cr合金在不同时效时间的投射电镜明场相和相应的JMatPro

图3 投射电镜明场相(左)和相应的JMatPro模拟计算结果(右)

模拟计算结果。可以看到，未时效的合金表现为没有析出物的均一结构，如图3(a) 所示；随着时效时间的延长，析出物α′ 粒子的尺寸和大小都有所增加。JMatPro计算结果表明，颗粒状的析出物的主要成分是Cr元素，而且富Cr析出物是以形核-长大的方式形成的[18]。

2.3 实验结果分析

图4总结了α′析出物的数密度和平均直径随时效时间的变化。随着时效时间的延长，α′ 析出物的数密度先是急剧的增加，随后又缓慢的少; 而平均尺寸随时效时间一直在增大。

图4 α′析出物数密度和平均直径随时效时间的变化

图5展示了α′ 析出物的尺寸分布图(Particle Size Distribution，PSD)随时效时间的变化。结果表明，α′ 析出物的形核-长大过程是一个不均匀长大的过程。结合理论计算结果图，可以看到，随着时效时间的延长，尺寸小的α′ 析出物会逐渐消失，而相对尺寸大的α′ 析出物会逐渐增大[19]。