奧氏體鋼時(shí)效脆化研究

奧氏體鋼時(shí)效脆化研究

j1體鋼是兩種材料之一的新型收斂核電站干預(yù)結(jié)構(gòu)。該鋼固溶處理后在超低溫有很高的強(qiáng)度和韌度。但制造大型超導(dǎo)線圈結(jié)構(gòu)需要厚度>200mm的超厚板材并需焊接加工。超厚板材固溶處理時(shí)冷卻緩慢可能導(dǎo)致韌度降低,焊接的熱影響也可能引起材料脆化。評(píng)價(jià)這些因素引起的材料性能變化需要有關(guān)時(shí)效組織與性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),但迄今為止這類數(shù)據(jù)很少。本文研究了JN1鋼時(shí)效時(shí)晶界碳化物的析出行為以及超低溫下斷裂韌度的變化,為評(píng)價(jià)上述因素引起的材料脆化傾向、弄清脆化機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1疲勞裂紋試驗(yàn)試驗(yàn)材料為200mm厚的JN1鍛造超厚板材,化學(xué)成分見表1。從超厚板材切取30mm厚的試樣毛坯。固溶處理工藝為1348K加熱1h后水冷。時(shí)效工藝為923、973及1073K加熱5h后水冷。固溶態(tài)及時(shí)效態(tài)4K的力學(xué)性能見表2。斷裂韌度試樣為厚12.7mm(0.5TCT)及25.4mm(1TCT)\,帶20%側(cè)溝的緊湊拉伸試樣,取樣方向?yàn)門-L方向。預(yù)制疲勞裂紋的條件是:室溫,應(yīng)力比0.1,頻率10Hz,應(yīng)力場強(qiáng)度因子幅ΔK=30MPa·m1/2,初始裂紋長度a0與寬度W比a0/W=0.60。預(yù)制疲勞裂紋后加工側(cè)溝。使用裝有低溫槽的Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī),在液氦溫度(4K)進(jìn)行斷裂韌度試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)控制活動(dòng)橫梁的位移速度為0.1mm/min。用夾式引伸計(jì)測定加載線位移,裂紋長度用卸載柔度法測定。J積分值根據(jù)ASTME813-87標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。為進(jìn)行比較,測定了液氮溫度(77K)的斷裂韌度。用掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌以及時(shí)效析出物的分布,并用X射線衍射法對電解(電解液10%HCl-CH3OH,電壓4V)萃取物進(jìn)行物相鑒定。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1時(shí)效對消費(fèi)者的影響0.5TCT試樣在4K的載荷—加載線位移曲線示于圖1。初始線性階段后出現(xiàn)多次小的載荷下降,然后出現(xiàn)大的載荷下降。這種載荷突降現(xiàn)象在4K的斷裂韌度試驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)。一般稱前者為serration(鋸齒),后者為pop-in(裂紋突進(jìn))。圖1表明,serration及pop-in現(xiàn)象與材料熱處理狀態(tài)有關(guān)。固溶狀態(tài)下serration多次出現(xiàn)。時(shí)效狀態(tài)下serration數(shù)量減少,且pop-in引起的載荷下降幅度變大。1073K時(shí)效時(shí),僅出現(xiàn)一個(gè)serration后就出現(xiàn)極大的載荷突降而導(dǎo)致斷裂。顯然,時(shí)效促進(jìn)了pop-in的早期出現(xiàn)。在出現(xiàn)pop-in的情況下如何確定J-R曲線仍在爭論中。多數(shù)研究使用了包括pop-in在內(nèi)的數(shù)據(jù),但也有研究指出pop-in引起的不連續(xù)裂紋擴(kuò)展影響很大,它所對應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)除去。本文主要目的是研究時(shí)效對斷裂性能的影響,因此使用了包括pop-in在內(nèi)的數(shù)據(jù),按ASTME813-87標(biāo)準(zhǔn)確定J-R曲線(圖2)。由于沒有觀察到延伸區(qū),因而確定鈍化曲線時(shí)使用下列關(guān)系J=2Δa?σY(1)J=2Δa?σY(1)式中,Δa為裂紋擴(kuò)展量,σY=(σ0.2+σb)/2為流變應(yīng)力。根據(jù)ASTME813-87標(biāo)準(zhǔn)對J-Δa數(shù)據(jù)進(jìn)行冪指數(shù)回歸,以裂紋擴(kuò)展量Δa=0.2mm對應(yīng)的J值為裂紋開始擴(kuò)展的斷裂韌度值JIC,所得結(jié)果見圖3。為進(jìn)行比較,圖中示出了77K的JIC值。在77K,固溶及923K時(shí)效狀態(tài)的0.5TCT試樣不滿足JIC的有效條件,因而分別使用了Hwang等報(bào)告的數(shù)據(jù)及1TCT試樣的測定值。1073K時(shí)效態(tài)無裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段,其JIC值根據(jù)下式由KIC值換算。JIC=KIC2(1?ν2)/E(2)JΙC=ΚΙC2(1-ν2)/E(2)式中,E為楊氏模量,ν為泊松比。由圖3可見,固溶態(tài)試樣4K的斷裂韌度低于77K,但JIC值仍很高。時(shí)效處理后JIC值大幅度降低。為保證核聚變反應(yīng)堆超導(dǎo)線圈結(jié)構(gòu)的安全,須對超厚鋼板固溶處理冷卻不足以及焊接熱影響等引起的韌度降低予以足夠重視。2.2斷口形貌特征關(guān)于JN1鋼固溶態(tài)在4K的斷口形貌,Hwang等認(rèn)為是韌窩與滑移面分離的混合斷口,小堀等則指出板厚中心為粗大韌窩,試樣表面附近為細(xì)小韌窩,但滑移面分離及粗大韌窩的真實(shí)含義都不清楚。對于時(shí)效狀態(tài)斷口的報(bào)道更少。圖4a)為固溶態(tài)試樣在4K下的SEM斷口照片,示出三種花樣。A為延性韌窩花樣。B斷口上雖可看到塑性變形的痕跡,但卻是一種與A不同的平坦花樣。C是近乎平面的花樣,其上有交角約60°的三組平行的變形組織。B、C花樣均與奧氏體晶粒大小相當(dāng)。作者曾在18Cr-18Mn-0.7N奧氏體不銹鋼板4K及77K的斷口中觀察到穿晶、沿晶及退火孿晶界斷裂三種斷口。應(yīng)當(dāng)說明,18Cr-18Mn-0.7N鋼與JN1鋼在斷裂過程中的塑性變形量差異很大,但從斷口形貌特征看,圖4a)中A、B、C所代表的斷口可以分別判斷為延性韌窩斷口、沿晶斷口及退火孿晶界斷口。試樣斷面由沿晶斷口、退火孿晶界斷口以及包圍它們的韌窩所覆蓋。板厚中心平面應(yīng)變區(qū)的沿晶斷裂多于表面附近,說明沿晶斷裂時(shí)塑性變形小于韌窩斷裂。923K時(shí)效試樣的斷口上也可見上述花樣,但脆性沿晶斷裂及二次裂紋較多(圖4b)。973K時(shí)效時(shí),脆性沿晶斷口占絕大部分(圖4c)。1073K時(shí)效時(shí),雖有少數(shù)穿晶斷裂發(fā)生,但由于塑性變形很小,因而不是韌窩而似乎可以說是準(zhǔn)解理斷裂(圖4d)。顯然,時(shí)效脆化是脆性沿晶斷裂造成的。2.3材料的加工工藝掃描電鏡觀察結(jié)果見圖5。923K時(shí)效時(shí)已有許多細(xì)小析出物沿晶界析出。973K時(shí)效時(shí),晶界析出物呈連續(xù)狀,退火孿晶界也有析出。在1073K,晶界析出物粗大連續(xù),退火孿晶界也形成較粗大的連續(xù)析出物。973K及1073K時(shí)效試樣萃取物的X射線衍射花樣示于圖6。均為M23C6型碳化物。由此可以認(rèn)為,JN1鋼時(shí)效脆化是M23C6型碳化物沿晶界與退火孿晶界析出造成的。核聚變反應(yīng)堆大型超導(dǎo)線圈結(jié)構(gòu)在液氦溫度(4K)下工作且受到強(qiáng)大電磁力的作用,其安全性與可靠性要求極高。除要求材料高強(qiáng)度、高韌度外,還要求有抵抗加工過程中熱影響引起的性能蛻化的能力。JN1鋼合金化程度很高,導(dǎo)熱性能很差。從上述結(jié)果來看,超厚板材固溶處理冷卻不足以及焊接熱影響很容易引起碳化物沿晶界析出并導(dǎo)致韌度降低。解決這一問題須從材料成分與加工工藝兩方面入手。應(yīng)嚴(yán)格控制碳含量在低限以下,同時(shí)適當(dāng)調(diào)整合金元素種類與含量。加工方面則要力求降低焊接等工藝過程的熱影響。3時(shí)效過程中結(jié)晶