合金元素硅對低活化馬氏體鋼力學(xué)性能的影響

合金元素硅對低活化馬氏體鋼力學(xué)性能的影響

低激活鐵素體鋼（rafm鋼）具有低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、良好的力學(xué)性能和良好的抗輻射性能。它是國際熱態(tài)平整巖漿巖（iter）和未來聚變堆的首選材料。目前,國際上已開發(fā)出幾種RAFM鋼,如日本的F82H和JLF-1,美國的9Cr-2WVTa,歐洲的EUROFER系列以及中國的CLAM(9Cr-1.5WVTa)。這幾種RAFM鋼的化學(xué)成分差別不大,主要差別在于鎢含量(1%～2%)、鉭含量(0.03%～0.1%)以及硅含量(0.01%～0.3%)。S.J.Zinkle比較了國際上幾種低活化鋼的化學(xué)成分差異,并對鋼中鎢和硅的含量差異進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。多年來,RAFM鋼的成分優(yōu)化一直是聚變堆結(jié)構(gòu)材料研究組提高鋼性能的主要方向之一。目前,已開展了主要合金元素對提高RAFM鋼力學(xué)性能和抗輻照性能的作用研究。文獻(xiàn)報道了鉻對Cr-2WVTa鋼組織和性能影響方面的研究結(jié)果,并通過一系列輻照試驗(yàn),得出鉻含量為8%～9%時鋼的綜合性能最好。釩的影響及鎢的影響的研究工作也已見諸報道。R.L.Klueh對鉭的影響研究結(jié)果顯示,鋼中添加0.07%Ta可細(xì)化晶粒,提高鋼的強(qiáng)韌性,且鋼的抗輻照脆性優(yōu)良,輻照后的韌脆轉(zhuǎn)變溫度變化(ΔDBTT)更小。硅對低活化鋼性能影響的研究,至今鮮有相關(guān)報道。本課題組曾利用超高壓透射電子顯微鏡研究了0.46%Si對CLAM鋼的輻照損傷行為的影響,結(jié)果表明,添加0.46%Si能顯著提高CLAM鋼的抗輻照腫脹能力。CLAM鋼最初出現(xiàn)時的硅含量設(shè)計值很低(0.01%),因此,研究硅對CLAM鋼力學(xué)性能和輻照性能的影響將有重要意義。本工作主要研究添加0.2%Si對CLAM鋼輻照前力學(xué)性能的影響。1試驗(yàn)材料及方法在設(shè)計成分為Fe-9Cr-1.5W-0.2V-0.07Ta-0.45Mn-0.1C鋼中,添加0.2%Si獲得9Cr-1.5WVTaSi,與未添加Si的鋼構(gòu)成兩組對比實(shí)驗(yàn)用鋼。實(shí)驗(yàn)煉鋼均采用高純原材料,即99.80%Fe、99.90%Mn、99.999%Si、99.93%V、99.95%W和99.90%Ta,經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉得到5kg鑄錠。其化學(xué)成分分析委托國家鋼鐵材料測試中心進(jìn)行,結(jié)果列于表1,其中,所測得的9Cr-1.5WVTa中的硅為煉鋼原料中帶入。鑄錠在1200℃下鍛造成30mm×30mm方棒。將鍛棒切割成小塊進(jìn)行熱處理,工藝為980℃保溫30min后水冷+760℃保溫90min后空冷。從經(jīng)過熱處理后的方棒試樣上沿縱向切取?5mm、標(biāo)距為5倍直徑、平行長度為30mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,按GB/T228—2002和GB/T4338—2006分別進(jìn)行室溫和高溫拉伸實(shí)驗(yàn)。切取規(guī)格為55mm×10mm×10mm的夏比V型缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣,缺口垂直于鋼材的鍛造方向,按GB/T229—2007進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn),進(jìn)而獲得鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。用SEM觀察兩種實(shí)驗(yàn)用鋼在不同溫度下的拉伸和沖擊試樣的斷口形貌,并判定其斷裂類型。利用顯微維氏硬度計測試材料的顯微硬度,載荷為200g。利用光學(xué)顯微鏡觀察金相組織,并依據(jù)ASTM-E112測量晶粒尺寸,評定晶粒度級別。2結(jié)果2.1晶粒尺寸測定利用光學(xué)顯微鏡觀察鋼淬火態(tài)的金相組織。結(jié)果顯示,兩種實(shí)驗(yàn)用鋼均為100%板條馬氏體組織,無δ鐵素體存在。圖1示出兩種鋼回火后金相組織的顯微照片。從圖1可見,兩種鋼均保持著馬氏體板條位相的回火馬氏體組織,添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi鋼的馬氏體板條寬度較窄,這在一定程度上對提高鋼的綜合力學(xué)性能有所助益。采用截點(diǎn)法,依據(jù)ASTM-E112測得9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi鋼的原奧氏體晶粒尺寸,并評定晶粒度級別,結(jié)果列于表2?？梢?兩種鋼的晶粒均不均勻,添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi鋼的晶粒較細(xì)小。兩種鋼的原奧氏體晶粒的光學(xué)顯微鏡照片示于圖2。硅作為合金元素,是非碳化物形成元素,少量的硅基本上存在于鐵素體或奧氏體中,硅可提高鋼的奧氏體相變開始溫度(As)和再結(jié)晶溫度,因此,添加0.2%Si能夠抑制9Cr-1.5WVTaSi鋼奧氏體晶粒的長大,起到細(xì)化奧氏體晶粒的作用。2.2試驗(yàn)和沖擊功測試9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi鋼的顯微硬度分別為209和223(HV0.2)。結(jié)果顯示,硅的添加使9Cr-1.5WVTa鋼的硬度有所提高。圖3為9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi鋼在室溫～700℃范圍內(nèi)的拉伸性能。從圖3可看出,在9Cr-1.5WVTa鋼中添加0.2%Si,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率從室溫到高溫均有一定提高,其中,抗拉強(qiáng)度在500℃前平均提高30MPa,屈服強(qiáng)度平均提高20MPa。然而,隨著溫度的升高,500℃以后兩種鋼的強(qiáng)度差異逐漸縮小,到700℃時,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度已近于相等。兩種鋼在300～400℃間延伸率出現(xiàn)下降,這說明,9Cr-1.5WVTa鋼在此溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)回火脆性。另外,用SEM觀察拉伸試樣的新鮮斷口的結(jié)果顯示,所有溫度下的拉伸斷口均為韌窩狀斷口。對兩種鋼進(jìn)行落錘沖擊實(shí)驗(yàn)(-80～60℃),鋼的沖擊韌性對實(shí)驗(yàn)溫度變化較為敏感,由沖擊功通過函數(shù)擬合得出沖擊功-溫度曲線(圖4)。從圖4可見,9Cr-1.5WVTaSi鋼在各實(shí)驗(yàn)溫度下的沖擊功均明顯較高,9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi鋼的上平臺沖擊功分別為210J和174J。由能量法測得未添加和添加0.2%Si的CLAM鋼的DBTT分別為-13℃和-30℃。這表明,添加0.2%Si降低了鋼的DBTT,提高了鋼的沖擊韌性。用SEM觀察兩種鋼試樣不同溫度下的沖擊斷口,低溫下平臺區(qū)間斷口形貌為完全脆性準(zhǔn)解理特征,而上平臺附近則為完全韌窩狀斷口,在DBTT附近準(zhǔn)解理和韌窩狀斷口則各占50%左右。3晶粒尺寸對試驗(yàn)材料的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,添加0.2%Si對提高9Cr-1.5WVTa鋼的力學(xué)性能有顯著作用。在9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi鋼中,除硅外,其它合金元素的設(shè)計成分均相同,測試成分也基本相同,且鋼的制備方法、熱處理工藝和力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法均相同。而金相組織實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示,9Cr-1.5WVTaSi鋼的原奧氏體晶粒尺寸更加細(xì)小。這說明,硅含量的差異是導(dǎo)致兩種鋼的原奧氏體晶粒尺寸不同的主要原因。因此,添加0.2%Si使得9Cr-1.5WVTaSi鋼的晶粒尺寸細(xì)化,提高了鋼的力學(xué)性能。C.C.Anya等曾研究了硅對低碳鋼晶粒尺寸及拉伸性能的影響,結(jié)果顯示,硅通過影響原奧氏體晶粒尺寸來細(xì)化晶粒。B.Mintz對硅影響低碳鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性的研究結(jié)果表明,當(dāng)晶粒尺寸在7μm(d1/2=12mm-1/2)以上時,含0.29%Si的低碳鋼比含0.02%Si的鋼的強(qiáng)度高,含0.1%Si的鋼比含0.03%Si的鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低。材料的成分、工藝決定其微觀組織,而微觀組織決定了材料最終的力學(xué)性能。添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi鋼具有更高的強(qiáng)度,這一點(diǎn)可從微觀結(jié)構(gòu)角度來解釋。Hall和Petch最早獨(dú)立得到了材料強(qiáng)度與晶粒尺寸間的關(guān)系式為:式中:d為晶粒尺寸;K為比例系數(shù)。從式(1)可知,晶粒越細(xì)小,材料的強(qiáng)度越高。9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi鋼的原奧氏體晶粒尺寸分別為32μm和17μm,因此,晶粒較細(xì)小的9Cr-1.5WVTaSi鋼的強(qiáng)度較好。然而,鋼的細(xì)晶強(qiáng)化的效果在高溫下則無優(yōu)勢。圖3顯示,溫度升高至500℃后,兩種鋼的強(qiáng)度差別縮小,到700℃時,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度已近乎相等。這是因?yàn)楦邷叵?晶界作為阻礙位錯滑移的作用將弱化,因此,晶粒較細(xì)、晶界較多的9Cr-1.5WVTaSi鋼在高溫時將出現(xiàn)強(qiáng)度降低現(xiàn)象,這進(jìn)一步說明硅是通過細(xì)化晶粒來使9Cr-1.5WVTa鋼得以強(qiáng)化。添加0.2%Si提高了9Cr-1.5WVTa鋼的沖擊韌性,同樣可從微觀結(jié)構(gòu)角度來解釋。細(xì)晶強(qiáng)化是各種強(qiáng)化方式中唯一在強(qiáng)化的同時提高鋼的韌性的強(qiáng)化方式。晶粒細(xì)化后,增加了可阻礙裂紋擴(kuò)展的晶界的面積,減少了晶界前塞積的位錯數(shù)目而降低了應(yīng)力集中,同時也減輕了晶界上雜質(zhì)元素的偏聚濃度,因而避免出現(xiàn)沿晶脆性斷裂,從而提高了鋼的韌性,降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。Petch首先研究了晶粒細(xì)化對鋼鐵材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tc的影響,得到了以下關(guān)系式:式中:A、B為常數(shù),且B恒為正值。由式(2)可看出,隨晶粒尺寸的減小,韌脆轉(zhuǎn)變溫度將明顯下降。9Cr-1.5WVTaSi鋼的原奧氏體晶粒尺寸比9Cr-1.5WVTa鋼明顯細(xì)化,因此,9Cr-1.5WVTaSi鋼的沖擊韌性較好。綜上所述,在CLAM鋼中添加0.2%Si可細(xì)化晶粒,對提高鋼的輻照前力學(xué)性能是有益的。4在鋼中添加0.2%si1)添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi鋼的拉伸性能比未添加Si的CLAM鋼的拉伸性能更好些,其中,室溫下抗拉強(qiáng)度及