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        固溶處理對GH984G合金冷軋無縫管組織及硬度的影響

        2020-10-12 11:52:08程曉農(nóng)
        機(jī)械工程材料 2020年9期
        關(guān)鍵詞:晶界晶粒長大

        高 佩,程曉農(nóng)

        (1.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司技術(shù)管理部,宜興 214203; 2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212013)

        0 引 言

        GH984合金是一種鐵鎳基固溶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化型高溫合金,因具有良好的耐高溫持久性能、耐腐蝕性能、抗氧化性能、冷熱加工性能及焊接性能而廣泛應(yīng)用于艦船鍋爐過熱器,并成為700 ℃先進(jìn)超超臨界鍋爐用過熱器和再熱器管的候選材料[1-7]。通過調(diào)控成分可提高GH984合金的性能,如增加鋁和鉻含量、降低鐵含量、添加微量硼可提高其熱穩(wěn)定性和持久性,增加鉻含量還可提高其耐腐蝕性能及抗氧化性能。因此,研究人員通過成分調(diào)控研制出了GH984G改進(jìn)型合金[8-10]。目前,國內(nèi)對GH984合金的研究主要集中在焊接工藝、組織及力學(xué)性能、抗氧化及耐腐蝕性能等方面[5-15],對GH984G合金的研究主要集中在耐腐蝕性能、時效對組織及性能的影響等方面[16-18],有關(guān)固溶溫度及保溫時間對GH984G合金組織及硬度的影響研究鮮有報道。

        為此,作者對GH984G合金冷軋無縫管進(jìn)行固溶熱處理,研究了固溶溫度及保溫時間對合金組織及維氏硬度的影響,為該合金的實(shí)際熱處理提供理論指導(dǎo)。

        1 試樣制備與試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)材料為寶鋼特鋼有限公司提供的GH984G合金無縫管。該合金無縫管采用規(guī)格為φ135 mm×16 mm的熱擠壓管坯,經(jīng)過3個道次冷軋成型,成品規(guī)格為φ44.5 mm×10 mm,實(shí)測化學(xué)成分如表1所示。

        表1 GH984G合金管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of GH984G alloy tube (mass) %

        在GH984G合金無縫管上沿軋向取樣,在SX2-22-13型箱式電阻爐中進(jìn)行固溶處理,固溶溫度分別為1 050,1 100,1 150,1 200 ℃,保溫時間分別為10,20,30,60,90 min,水冷。

        在冷軋態(tài)和不同條件固溶處理后的GH984G合金試樣上沿軋向取樣,經(jīng)磨拋,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液中電解腐蝕后,在ZEISS Axiovert 40MAT型光學(xué)顯微鏡(OM)和ZEISS EVO18型掃描電鏡(SEM)下觀察縱截面顯微組織,利用SEM附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行第二相成分分析;在100倍放大倍率下隨機(jī)選取5個不同視場,按照GB/T 6394-2017中的截點(diǎn)法測量平均晶粒尺寸,取5個不同視場的平均值。根據(jù)GB/T 4340.1-2009,在570HAD型數(shù)顯布洛維硬度計上進(jìn)行維氏硬度測試,試驗(yàn)載荷為294.2 N,保載時間為15 s。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 顯微組織

        由圖1可知:冷軋態(tài)合金組織中的晶粒沿軋向拉長,部分晶粒出現(xiàn)滑移線,在晶界及晶內(nèi)均存在沿軋制方向呈不連續(xù)分布的第二相顆粒,第二相顆粒為主要含鈮、鈦的碳化物。

        圖1 冷軋態(tài)GH984G合金的縱截面組織及第二相的EDS譜Fig.1 Longitudinal section microstructure (a-b) and EDS spectrum of the second phase (c) of cold rolled GH984G alloy: (a) OM morphology and (b) SEM morphology

        由圖2可以看出:經(jīng)過不同條件固溶處理后,GH984G合金均發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶,滑移線消失,組織基本為等軸晶;在溫度1 050 ℃下,隨著保溫時間的延長,第二相顆粒的尺寸及數(shù)量未見明顯變化;當(dāng)溫度升高到1 100 ℃時,隨著保溫時間的延長,第二相逐漸溶解,數(shù)量減少;當(dāng)溫度超過1 100 ℃時,第二相數(shù)量進(jìn)一步減少。

        由圖3可以看出:隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長,晶粒尺寸逐漸增大。在不同保溫時間下,晶粒尺寸隨固溶溫度的變化趨勢相近,均在1 050~1 100 ℃范圍內(nèi)緩慢增大,當(dāng)溫度超過1 100 ℃時快速增大。溫度較低時,第二相的溶解量較少,釘扎作用顯著,因此晶粒長大速度緩慢;溫度超過1 100 ℃時,第二相溶解速度加快,釘扎作用顯著減小,因此晶粒長大速度加快。

        圖3 固溶溫度和時間對GH984G合金平均晶粒尺寸的影響Fig.3 Effects of solid solution temperature and time on average grain size of GH984G alloy

        晶粒界面能隨固溶溫度的升高而降低。界面能越低,晶界越容易遷移,大尺寸晶粒傾向于長大而小尺寸晶粒傾向于被吞噬直至消失。晶界的遷移必須通過原子克服位壘躍遷完成,該過程是一個熱激活過程。大角度晶界遷移率與溫度之間通常服從Arrehenius關(guān)系[19-20],即:

        M=M0exp[-Q/(RT)]

        (1)

        式中:M為遷移率;M0為常數(shù);Q為晶界遷移的表觀激活能,J·mol-1;R為理想氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;T為溫度,K。

        晶界遷移速度與晶界遷移率存在如下關(guān)系:

        v=dD/dt=Mp

        (2)

        式中:v為晶界遷移速度;D為平均晶粒尺寸;t為保溫時間;p為驅(qū)動力。

        假設(shè)晶粒為球狀,則

        p=γb/D

        (3)

        式中:γb為界面能。

        將式(3)代入式(2),并進(jìn)行積分,假定D遠(yuǎn)大于起始尺寸,可得:

        D2=γbMt

        (4)

        將式(1)代入式(4)并取對數(shù),可得:

        (5)

        式中:A為包含晶界擴(kuò)散和保溫時間因子在內(nèi)的參數(shù)。

        用式(5)對圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析,得到不同保溫時間下晶粒尺寸與固溶溫度之間的關(guān)系,如下:

        lnD10 min=0.5lnA-1.923×104/T

        (6)

        lnD20 min=0.5lnA-1.998×104/T

        (7)

        lnD30 min=0.5lnA-2.022×104/T

        (8)

        lnD60 min=0.5lnA-2.138×104/T

        (9)

        lnD90 min=0.5lnA-2.238×104/T

        (10)

        則GH984G合金在保溫10,20,30,60,90 min的晶界遷移表觀激活能分別為319.76,332.23,336.22,355.51,372.13 kJ·mol-1,均比純鎳的自擴(kuò)散激活能(約284 kJ·mol-1)[21]大。這主要是由于GH984G合金中含有一些合金化元素,如鉻、鉬、鈮、鈦等,在組織中形成了第二相顆粒;第二相顆粒對晶界移動有釘扎作用,會增大晶界遷移阻力,從而提高晶粒長大激活能。

        GH984G合金的平均晶粒尺寸與保溫時間符合貝克公式[19],即:

        D=Ctη

        (11)

        式中:C為系統(tǒng)常數(shù);η為動力學(xué)時間指數(shù)。C和η均與材料和溫度有關(guān)。

        用式(11)對圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到不同溫度下晶粒尺寸與保溫時間的關(guān)系,如下:

        D1 050 ℃=18.96t0.10

        (12)

        D1 100 ℃=16.44t0.19

        (13)

        D1 150 ℃=30.80t0.26

        (14)

        D1 200 ℃=59.89t0.20

        (15)

        由式(12)到式(15)可知,隨溫度升高,η先增大后減小。在較低溫度(1 050 ℃)固溶時,合金中有少量的第二相,這些第二相能夠釘扎晶界,阻礙晶界移動,抑制晶粒長大,因此晶粒長大緩慢,表現(xiàn)為η較低;隨溫度的升高,第二相逐漸溶解,釘扎作用減小,晶界移動速度加快,晶粒長大速度加快,表現(xiàn)為η增大;當(dāng)溫度升到1 200 ℃時,晶界遷移速率隨熱激活過程的加劇而加快,但此時第二相顆粒也開始長大,第二相顆粒的長大對晶粒的長大有一定的阻礙作用,因此晶粒長大速度減慢,表現(xiàn)為η減小。

        2.2 硬 度

        由圖4可知,在不同保溫時間下,隨固溶溫度的升高,合金的硬度降低,且降低速度隨溫度的升高呈先增大后減小的趨勢。金屬材料屈服強(qiáng)度和晶粒大小的關(guān)系可用Hall-Petch公式[22]描述,其表達(dá)式為

        圖4 不同保溫時間下GH984G合金的硬度與固溶溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of hardness vs solid solution temperature of GH984G alloy for different holding times

        σy=σ0+kyd-1/2

        (16)

        式中:σy為屈服強(qiáng)度;d為晶粒尺寸;σ0為內(nèi)阻力或晶格摩擦力;ky為與晶格類型、彈性模量、位錯分布及位錯被釘扎程度有關(guān)的常數(shù)。

        用式(16)對不同熱處理?xiàng)l件下的硬度和晶粒尺寸進(jìn)行擬合,如圖5所示,得到GH984G合金的硬度HV與d-1/2滿足Hall-Petch關(guān)系,即:

        圖5 不同熱處理?xiàng)l件下GH984G合金的硬度與平均晶粒尺寸的關(guān)系Fig.5 Between hardness and average grain size of GH984G alloy under different heat treatment conditions

        HV=131.33+264.62d-1/2

        (17)

        3 結(jié) 論

        (1) 冷軋態(tài)GH984G合金晶粒沿軋向拉長,晶界及晶內(nèi)的第二相顆粒為主要含鈮、鈦的碳化物,沿軋向呈不連續(xù)分布;不同條件固溶處理后,GH984G合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,形成等軸晶組織;在較低溫度(1 050 ℃)下固溶處理后,隨保溫時間延長,第二相尺寸及數(shù)量未見明顯變化,在溫度1 100~1 200 ℃固溶后,第二相數(shù)量隨溫度的升高和保溫時間的延長逐漸減少。

        (2) 隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長,GH984G合金的晶粒尺寸增大;在較低的固溶溫度下,晶粒尺寸隨時間延長的增大速度較小,當(dāng)固溶溫度升至1 100 ℃以上時,增大速度加快。

        (3) GH984G合金的晶界遷移表觀激活能隨保溫時間的延長而增大,動力學(xué)時間指數(shù)隨固溶溫度的升高先增大后減?。挥捕入S固溶溫度的升高和保溫時間的延長而降低,與平均晶粒尺寸符合Hall-Petch關(guān)系。

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