孫麗娟，丁小明，陳冬生，黃 粒，杜旭初

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

高Cr鐵素體不銹鋼具有優(yōu)良的抗輻照性能和高溫強(qiáng)度，是核電站冷卻管道等部位的重要結(jié)構(gòu)材料[1-4]。在輻照和高溫條件下，F(xiàn)e-Cr合金會(huì)產(chǎn)生富Cr的沉淀相α’相，導(dǎo)致不銹鋼塑、韌性和耐蝕性降低[5-9]。475 ℃ 時(shí)效脆性成為制約鐵素體鋼應(yīng)用的一個(gè)至關(guān)重要的因素。這種脆性是由于鐵素體相在時(shí)效300～550 ℃過程中分解成富鉻相α′和富鐵相α[10-12]。富Cr析出物的產(chǎn)生會(huì)造成顯著的硬化和韌性的降低[13-14]。Williams等人用M?ssbauer 研究了475 ℃ 時(shí)效對鐵鉻合金的影響，總結(jié)出含鉻12%～29%的Fe-Cr合金的時(shí)效相分解通過形核長大的方式進(jìn)行[15]。

很少有研究揭示Fe-Cr相分解的微觀結(jié)構(gòu)，因?yàn)镕e和Cr具有相近的晶格常數(shù)，α′相與鐵基體之間有微弱的應(yīng)力場，這也限制了投射電子顯微鏡(TEM)對于時(shí)效早期Fe-Cr相分解的微觀結(jié)構(gòu)的研究[16-17]。本文利用TEM研究了長期時(shí)效對Fe-Cr 合金微觀結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合JMatPro模擬軟件計(jì)算探討了鐵鉻相分解與時(shí)效硬化的定量關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的Fe-Cr合金是由99.995%的純鐵和99.999%的純鉻用真空氬氣電弧爐熔煉得到的。表1所示的是Fe-Cr合金的化學(xué)成分，因鉻含量在15%，故命名為Fe-15Cr 合金。所得到的紐扣錠先在1 100 ℃均勻化熱處理72 h，然后經(jīng)過變形量約80%的冷軋，接著在900 ℃退火2 h，最后用冰水淬火。在獲得的薄板上沖壓獲得微小拉伸實(shí)驗(yàn)件，樣品尺寸如圖1所示。所有樣品封在高真空(10-4Pa)石英管里，在450 ℃時(shí)效，時(shí)效時(shí)間長達(dá)10 000 h。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

拉伸實(shí)驗(yàn)是用一種INTESCO拉伸試驗(yàn)機(jī)，在室溫條件下以0.2 mm/min的拉伸速度進(jìn)行的。所有的屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)都是三組數(shù)據(jù)的平均值。微觀結(jié)構(gòu)觀察是在JEOL TEM 2010下進(jìn)行的，所用的雙噴液是醋酸和高氯酸按9∶1的體積比配置而成。

表1 Fe-15Cr 合金的化學(xué)成分 %

圖1 微小拉伸實(shí)驗(yàn)件的幾何尺寸

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

如圖2所示，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，F(xiàn)e-15Cr合金表現(xiàn)出明顯的時(shí)效硬化現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為合金的屈服強(qiáng)度經(jīng)5 000 h時(shí)效后幾乎增加了一倍。合金的硬化可以分為三個(gè)階段：①孕育期，時(shí)效時(shí)間短于500 h，合金幾乎沒有硬化；②強(qiáng)化期，時(shí)效時(shí)間大于500 h小于5 000 h，合金的屈服強(qiáng)度由200 MPa增加到400 MPa；③軟化期，時(shí)效時(shí)間大于5 000 h，此時(shí)處于過時(shí)效期，合金的屈服強(qiáng)度不再上升，甚至有所降低。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

為了揭示合金硬化過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化，有必要用投射電鏡做細(xì)致的分析。圖3所示的是Fe-15Cr合金在不同時(shí)效時(shí)間的投射電鏡明場相和相應(yīng)的JMatPro

圖3 投射電鏡明場相(左)和相應(yīng)的JMatPro模擬計(jì)算結(jié)果(右)

模擬計(jì)算結(jié)果?？梢钥吹剑磿r(shí)效的合金表現(xiàn)為沒有析出物的均一結(jié)構(gòu)，如圖3(a) 所示；隨著時(shí)效時(shí)間的延長，析出物α′ 粒子的尺寸和大小都有所增加。JMatPro計(jì)算結(jié)果表明，顆粒狀的析出物的主要成分是Cr元素，而且富Cr析出物是以形核-長大的方式形成的[18]。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4總結(jié)了α′析出物的數(shù)密度和平均直徑隨時(shí)效時(shí)間的變化。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，α′ 析出物的數(shù)密度先是急劇的增加，隨后又緩慢的少; 而平均尺寸隨時(shí)效時(shí)間一直在增大。

圖4 α′析出物數(shù)密度和平均直徑隨時(shí)效時(shí)間的變化

圖5展示了α′ 析出物的尺寸分布圖(Particle Size Distribution，PSD)隨時(shí)效時(shí)間的變化。結(jié)果表明，α′ 析出物的形核-長大過程是一個(gè)不均勻長大的過程。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果圖，可以看到，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，尺寸小的α′ 析出物會(huì)逐漸消失，而相對尺寸大的α′ 析出物會(huì)逐漸增大[19]。

圖5 α′ 析出物大小分布圖

因?yàn)棣痢?析出物是弱強(qiáng)化粒子，當(dāng)位錯(cuò)經(jīng)過的時(shí)候，α′ 析出物會(huì)被切割，具體相互作用可以用圖6表示。但因?yàn)橛写罅康摩痢?相存在，所以時(shí)效硬化效應(yīng)會(huì)很明顯。

基于拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果和微觀結(jié)構(gòu)分析，F(xiàn)e-15Cr合金的屈服強(qiáng)度變化和α′ 析出物之間存在以下的Orowan型[20]定量關(guān)系：

Δσy=MαGb(Nd)1/2=1.14×10-5(Nd)1/2

式中：σy是屈服強(qiáng)度的變化量；M為泰勒常數(shù)取3.06；α為強(qiáng)化因子,取0.2；G是剪切模量,取75.3 GPa；b是伯格氏矢量,取0.248 nm；N是α′ 析出物的數(shù)密度；d是α′ 析出物的平均直徑，nm。

3 結(jié) 論

(1)Fe-15Cr合金經(jīng)450 ℃ 時(shí)效10 000 h有明顯的時(shí)效硬化，表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度的明顯提高。時(shí)效硬化可分為三個(gè)不同的階段：孕育期，強(qiáng)化期和軟化期。

圖6 位錯(cuò)與α′ 析出物的作用關(guān)系

(2)Fe-15Cr 合金時(shí)效前后的微觀分析表明，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，富Cr析出物的數(shù)密度和平均直徑都有所增加。富Cr析出物是以形核-不均勻長大的機(jī)制形成的。

(3)Fe-15Cr 合金的屈服強(qiáng)度增量和富Cr析出物的數(shù)密度及平均直徑間的定量關(guān)系表明，F(xiàn)e-Cr合金的硬化主要是由于富Cr 析出物對于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的弱阻礙作用引起的。Fe-Cr 合金的時(shí)效硬化可以用Orowan 型強(qiáng)化模型解釋。