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        適用于汽車排氣歧管的含鈮鐵素體不銹鋼的組織與力學(xué)性能

        2020-04-23 05:56:28趙天天滕鋁丹金洋帆張家成楊弋濤
        上海金屬 2020年2期
        關(guān)鍵詞:顆粒狀碳化物鐵素體

        趙天天 滕鋁丹 金洋帆 張家成 楊弋濤

        (上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200444)

        汽車排氣系統(tǒng)用鋼需具有良好的高溫強度、抗熱疲勞性能及抗氧化性能[1-5]。為了提高鋼的高溫強度,通常都是提高其含碳量。但較高含量的碳易與鉻結(jié)合形成碳化物,減少固溶的鉻,導(dǎo)致材料的抗氧化和耐腐蝕性能降低[6]。另外,碳、氮間隙原子會嚴(yán)重影響鐵素體不銹鋼的室溫加工性能,因此必須采用超低碳、氮的合金化模式[7]。鈮是強碳化物形成元素,在鋼中一般以碳氮化物的形式存在,彌散析出的NbC、NbN可細(xì)化晶粒,并有效提高材料的抗晶間腐蝕性能。已經(jīng)證明,不銹鋼中固溶的鈮元素可提高其高溫強度和抗熱疲勞性能,這都是排氣歧管必須具備的重要特性[8]。

        本文研究了含鈮量不同的鐵素體不銹鋼經(jīng)過固溶處理和穩(wěn)定化處理后的顯微組織和力學(xué)性能,揭示了鈮元素影響鐵素體不銹鋼組織和性能的機制,為企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

        1 試驗材料和方法

        1.1 試樣的制備和熱處理

        采用真空電弧爐熔煉試驗用鐵素體不銹鋼,用移動式直讀光譜儀(PMI- MASTER PRO)測定其化學(xué)成分,結(jié)果列于表1。5個鈕扣鑄錠直徑均為36 mm,質(zhì)量約80 g,且鈮含量依次遞增。參照文獻(xiàn)[9]制定熱處理工藝,即1 100 ℃保溫2 h爐冷退火,以減少成分偏析,隨后1 050 ℃保溫1 h水冷固溶處理,最后900 ℃保溫1.5 h空冷穩(wěn)定化處理。

        表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the tested steels (mass fraction) %

        1.2 微觀組織和力學(xué)性能

        將熱處理后的鈕扣錠通過電火花線切割加工成10 mm×10 mm×3 mm的試樣,打磨、拋光后采用成分為2.5 g FeCl3+25 ml HCl+50 ml H2O的氯化鐵鹽酸溶液腐蝕,采用尼康LV150正立式光學(xué)金相顯微鏡(OM)和HITACHI SU- 1500鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其組織。對試樣進(jìn)行電解萃取碳化物,萃取液為16 g檸檬酸+125 ml鹽酸+375 ml水配制而成的檸檬酸溶液,干燥后對萃取前、后的試樣及萃取的碳化物稱重,并對碳化物進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,掃描角度為10°~90°,掃描速度為4 (°)/min。采用布洛維光學(xué)硬度計(HBRVU- 187.5)測定布氏硬度,試驗力125 kg,壓頭直徑5 mm。在鈕扣錠最大橫截面處沿直徑方向切取厚度為1 mm的試樣,采用MTSCMT5205電子萬能試驗機進(jìn)行拉伸試驗,拉伸速率為1.5 mm/min,試樣尺寸如圖1所示。采用掃描電鏡檢驗拉伸試樣的斷口形貌。

        圖1 拉伸試樣簡圖Fig.1 Sketch drawing of the tensile test specimen

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 熱力學(xué)相圖計算

        圖2為利用Thermo- Calc熱力學(xué)軟件計算得到的5種不同含鈮量鋼的平衡相圖,可見試驗鋼從高溫到低溫均為單一的鐵素體組織,可能存在的析出相分別為(Ti,Nb)C、Laves相(不含鈮鋼Laves相為Fe2Ti,而含鈮鋼為Fe2Nb)、σ相及α- Cr相,在440 ℃時,σ相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣? Cr相。鋼的含碳量極低,即使不含鈮,所含的鈦元素已足夠固定碳元素,因而能減少M23C6碳化物的形成,使更多的鉻元素固溶于基體,有利于改善鋼的抗氧化性能和耐腐蝕性能。根據(jù)相圖得到的各相的析出溫度如表2所示??梢娾壴乜娠@著提高Laves相的析出溫度,即由490 ℃提高至930 ℃。添加鈮對MC型碳化物的析出也有一定的促進(jìn)作用,使MC型碳化物的析出溫度從1 220 ℃升高至1 360 ℃。

        2.2 微觀組織

        經(jīng)固溶和穩(wěn)定化處理后鋼的顯微組織如圖3所示,與熱力學(xué)計算結(jié)果相符,均為單相鐵素體基體和彌散分布的顆粒狀和塊狀析出相。由于原子在鐵素體內(nèi)擴散較快,其晶粒粗化溫度較低,通常在600 ℃以上晶粒就開始長大。而組織中析出的

        圖2 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3%(c)、0.5%(d)及0.7%(e)Nb的鐵素體不銹鋼的熱力平衡相圖Fig.2 Thermodynamic equilibrium phase diagrams of the ferritic stainless steels without (a) and with 0.1% (b), 0.3% (c), 0.5% (d) and 0.7% (e) Nb

        表2 不同含鈮量鋼中幾種相的析出溫度Table 2 Precipitation temperatures of several phases in the steels containing different amounts of niobium ℃

        細(xì)小碳化物等第二相可阻礙晶粒長大,提高晶粒粗化溫度。相比于1號鋼,2號鋼由于含0.1%Nb,易形成MC型碳化物釘扎晶界和促進(jìn)異質(zhì)形核,使鐵素體晶粒得以細(xì)化。含0.3%Nb的鋼,顆粒狀析出相數(shù)量急劇增多且彌散分布。含0.5%及0.7%Nb的鋼,晶界的析出相逐漸粗化并呈鏈狀和網(wǎng)狀,且5號鋼晶界的析出相更為密集。

        試驗鋼中塊狀和顆粒狀析出相的形貌如圖4所示,圖4中標(biāo)記區(qū)域的能譜點掃描分析結(jié)果列于表3。由圖4(a,b)可以看出,3號和4號鋼晶內(nèi)有許多彌散分布的顆粒狀相,其尺寸均為微米級,且含0.5%Nb鋼的顆粒狀相更加細(xì)小。標(biāo)記A的黑色塊狀組織為Ti(C,N),Ti(C,N)粒子有釘扎作用,在運動的晶界與第二相粒子接觸過程中,第二相粒子會對晶界產(chǎn)生反向作用力,阻礙晶界運動,從而阻止晶粒長大。標(biāo)記B處彌散分布的顆粒狀組織是一種富鉻相,僅含鐵和鉻,且鉻的原子分?jǐn)?shù)達(dá)19.78%,彌散分布,尺寸大多小于5 μm,能產(chǎn)生析出強化和彌散強化效果。含0.5%Nb鋼中有兩種形態(tài)的含鈮碳化物,一種分布在晶界呈網(wǎng)狀(圖4(d)中標(biāo)記C),另一種呈不規(guī)則塊狀(圖4(d)中標(biāo)記D)。侯雨陽等[10]研究發(fā)現(xiàn):含0.56%Nb鑄態(tài)SUS430鐵素體不銹鋼中,晶界的顆粒狀析出物主要成分為Fe、Cr、C、Nb和Ti,EDS分析表明為(Ti,Nb)xCy,其形態(tài)和成分與本文含0.5%Nb的鋼中晶界析出的碳化物相近。

        2.3 碳化物分析

        萃取碳化物粉末的XRD圖譜如圖5所示。由圖5(a)可知,鈮會促進(jìn)碳化物的析出,隨著鈮含量的增加,鋼中碳化物含量增加,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1號鋼的0.503 4%增加到4號鋼的0.961 7%。含0.7%鈮鋼的碳化物含量有所下降。不含鈮鋼,由于其含碳量極低,且鈦是強碳化物形成元素,與碳的結(jié)合力大于鉻元素,所以不會形成鉻的碳化物,僅形成TiC;2號和3號鋼含有TiC和Nb6C5兩種碳化物,含0.3%Nb鋼中TiC的峰明顯低于含0.1%Nb鋼, 其原因是含鈮量增加,形成NbC的驅(qū)動力增大。含0.5%和0.7%鈮的鋼中TiC的峰顯著降低,且析出了Fe2Nb,鋼中的鈮和鈦已足夠固定碳,多余的鈮則與鐵結(jié)合形成金屬間化合物Fe2Nb,這與熱力學(xué)計算相圖一致,鈮元素能促進(jìn)Laves相的析出。

        圖3 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3%(c)、0.5%(d)及0.7%(e)Nb的鐵素體不銹鋼固溶和穩(wěn)定化處理后的顯微組織Fig.3 Microstructures of the ferritic stainless steel without (a) and with 0.1% (b), 0.3% (c), 0.5% (d) and 0.7% (e) Nb after solution and stabilization treatments

        圖4 含0.3%(a,c)和0.5%(b,d)Nb鋼的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of the steels containing 0.3% (a,c) and 0.5% (b,d) Nb

        表3 圖4(c,d)中標(biāo)記區(qū)域的化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù))Table 3 Chemical compositions of the marked regions in Fig.4 (c,d) (atom fraction) %

        2.4 力學(xué)性能

        表4為不同鈮含量試驗鋼的力學(xué)性能。由表4可知,含鈮量低于0.5%的鋼的硬度和抗拉強度均隨著鈮含量的增加而提高,但硬度的提高幅度不大;而含0.7%Nb的鋼,其抗拉強度有所下降,斷后伸長率增加。鈮為強碳化物形成元素,在鋼中形成的細(xì)小碳化物能細(xì)化鐵素體晶粒,從而提高鋼的強度和塑性。根據(jù)Ashby- Orowan的第二相強化模型,鋼的強化程度與析出相的體積分?jǐn)?shù)的平方根成正比,而與析出相的平均半徑成反比。從圖4可知,添加的鈮越多,鋼中顆粒狀的析出相更多、 更細(xì)小,抗拉強度更高。但在含0.7%Nb的鋼中,鈮的碳化物在晶界偏聚呈網(wǎng)狀(見圖3),會降低鋼的力學(xué)性能。拉伸試驗結(jié)果表明:含鈮量為0.5%的4號鋼的力學(xué)性能優(yōu)于含鈮量為0.3%的3號鋼,說明起主要作用的是析出強化,盡管形成的網(wǎng)狀碳化物會降低鋼的強度,但二者的綜合作用使4號鋼的抗拉強度最高。另外由圖3可見,含鈮量為0.7%的5號鋼中網(wǎng)狀碳化物明顯較多,但其尺寸小于4號鋼的,導(dǎo)致其強度降低而塑性提高。

        圖5 鋼中碳化物含量(a)及其XRD圖譜(b)Fig.5 Contents (a) and XRD patterns (b) of carbides in the steels

        表4 不同鈮含量鋼的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the steels containing different amounts of niobium

        圖6為拉伸試樣斷口的掃描電鏡形貌。圖6表明:不同含鈮量鋼拉伸試樣斷口均由大量韌窩組成,屬于韌性斷裂,這與斷后伸長率結(jié)果一致。韌窩是材料在發(fā)生塑性變形時產(chǎn)生的顯微孔形核、長大、聚集后相互連接,導(dǎo)致材料斷裂后在斷口表面留下的痕跡,其數(shù)量和平均直徑與材料中的碳化物和第二相粒子的數(shù)量和大小有關(guān)。不含鈮鋼組織中僅有TiC,導(dǎo)致韌窩尺寸變化較大;隨著鈮含量的增加,鋼中存在更多細(xì)小的富鉻相和碳化物,導(dǎo)致韌窩平均直徑減小,鋼的塑韌性提高。從表3可知,含0.5%Nb鋼的抗拉強度和硬度最高,且斷后伸長率也足夠高,能滿足排氣歧管的使用要求,因此可以確定,鋼的最佳含鈮量為0.5%。

        圖6 不含鈮(a)和含0.1%(b)、0.3% (c)、0.5% (d)及0.7%(e)Nb鋼的拉伸試樣斷口形貌Fig.6 Patterns of fractures of tensile specimen for the steels without (a) and with 0.1% (b),0.3% (c),0.5% (d) and 0.7%(e) Nb

        3 結(jié)論

        (1)不同鈮含量的不銹鋼均為單一的鐵素體組織,鈮元素使Laves相的析出溫度從490 ℃提高至930 ℃,使MC型碳化物的析出溫度從1 220 ℃提高至1 360 ℃。

        (2)鈮能細(xì)化鐵素體晶粒,且隨著鈮含量的增加,富鉻相的數(shù)量增加、平均尺寸減小;含鈮量高于0.5%的鋼,鈮鈦碳化物在晶界偏聚長大呈網(wǎng)狀。

        (3)含鈮量低于0.5%的鋼,隨著鈮含量的增加,碳化物類型由TiC轉(zhuǎn)變?yōu)镹b6C5和TiC;含鈮量高于0.5%的鋼中有Fe2Nb相析出。

        (4)含鈮量為0.5%的鋼的析出強化效果最顯著,抗拉強度達(dá)405.4 MPa,斷后伸長率為18.2%,因此鋼的最佳含鈮量為0.5%。

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