无间隙原子钢和2.25Cr1Mo钢的脆化机制研究

发布时间：2020-05-14 21:44

【摘要】：无间隙原子(IF)钢和2.25Cr1Mo钢都具有碳当量低,韧性和塑性良好等特点。这两种钢因成分和性能的差异被应用于不同的领域。其中,具有良好深冲性能的无间隙原子钢是汽车车身覆盖件及部分结构件的主要材料。2.25Cr1Mo钢因具有良好的韧性、较高的抗氧化性和耐高温性能,被广泛应用于制造各种高温承压容器及管道等。然而,IF钢中的固溶强化元素磷会在热轧等过程中发生晶界偏聚,引起材料的非硬化脆化;同时在深冲和冷轧过程中会发生硬化脆化现象。2.25Cr1Mo钢在长期中等温度的服役过程中,钢中的杂质元素会发生晶界偏聚并引起材料的非硬化脆化;工程实践中的诸如焊接、时效析出等过程会引起钢的硬化脆化。此外,晶粒尺寸会同时影响钢的硬化和非硬化脆化。可见,钢铁材料的脆化往往是由硬化脆化和非硬化脆化这两种机制共同作用的结果,而目前还没有这方面的研究。因此,本文主要研究磷的晶界偏聚、强化硬化和晶粒尺寸对IF钢和2.25Cr1Mo钢脆性的综合影响,并揭示低合金钢的硬化与非硬化联合脆化机制。本课题以IF钢和2.25Cr1Mo钢为研究对象,通过高温热处理、时效热处理、室温拉伸、焊接热模拟等方法,获得不同晶粒尺寸、磷晶界偏聚浓度和强化硬化的试样。通过系列冲击实验并结合扫描电子显微镜(SEM)进行断口形貌观察,测定试样的断口形貌转变温度(FATT)。利用硬度测试、金相分析、俄歇电子能谱分析(AES)、场发射扫描透射电子显微镜(FEGSTEM)、电子背散射衍射(EBSD)等表征手段,对试样的微观组织、晶界化学成分、晶界特征结构、维氏硬度等参数进行表征。综合分析IF钢和2.25Cr1Mo钢的断口形貌转变温度与材料的强度(硬度)、晶粒尺寸和磷晶界偏聚浓度之间的关系,建立IF钢和2.25Cr1Mo钢的硬化与非硬化联合脆化的数学模型。研究发现,高温淬火的IF钢在600 oC恒温时效过程中的P晶界偏聚表现出非平衡的特征,并且在时效20 h后恢复平衡状态。此外,P在IF钢和2.25Cr1Mo钢中的平衡晶界偏聚浓度随晶粒尺寸的增加而增加,随温度增加而降低。研究表明,晶粒尺寸增加会促使钢中大角度晶界和高Σ指数的CSL晶界的含量增加,这是导致不同晶粒尺寸的钢中P晶界偏聚浓度不同的重要因素。通过偏聚热力学的理论分析认为,偏聚自由能随晶粒尺寸增加而增加,同时偏聚熵和焓在变化中存在一定的线性关系。对不同晶粒尺寸、磷晶界浓度和屈服强度的IF钢的FATT进行了测定,研究表明IF钢的FATT与磷晶界偏聚浓度(Cp,at.%)和屈服强度(σs,10MPa)成正线性相关性,与晶粒尺寸(d-1/2,mm-1/2)成负线性相关性。而且,FATT与磷晶界偏聚浓度或屈服强度之间的线性关系受晶粒尺寸的影响,而磷晶界偏聚和屈服强度两者与FATT之间的关系是互不影响的。以泰勒公式为模型,建立的脆化公式为:FATT(oC)=2.1Cp+3.48σs-22.36d-1?2+0.64(Cp-14)(d-1?2-3.06)+0.896(σs-14)(d-1?2-3.06)-13.7,其中Cp、σs、d分别表示磷的晶界偏聚浓度(at.%)、屈服强度(10MPa)、晶粒尺寸(mm)。然而,2.25Cr1Mo钢的脆化机制与IF钢有所不同。其中,最主要的是2.25Cr1Mo钢的FATT不受晶粒尺寸的影响。分析认为,造成这种差别的主要原因是两种钢的微观组织不同,进而导致材料的脆性对晶界结构的敏感度不同。两者相同的是,2.25Cr1Mo钢的FATT同样与钢中磷晶界偏聚浓度或屈服强度成正线性相关性。综合分析并建立了2.25Cr1Mo钢的FATT与磷晶界偏聚浓度和屈服强度之间的关系式:FATT(oC)=0.25σs+2.64CP-270,其中Cp和σs分别表示磷的晶界偏聚浓度(at.%)和屈服强度(MPa)。对不同峰值温度下的2.25Cr1Mo钢焊接热影响区脆性的研究表明,热影响区的脆性随峰值温度的增加而增加,而回火后热影响区的脆性显著降低。对冲击断口形貌的分析发现,焊后热影响区的脆性断裂属于解理型,而回火后的脆断属于沿晶型。分析认为,焊后热影响区的脆化与微观组织中存在的M/A岛以及焊接残余应力有关,属于硬化脆化机制。其中,M/A岛形状随峰值温度的升高而发生粗化,这是导致热影响区的脆性随焊接峰值温度升高而加剧的主要原因。焊后经520oC回火800 h后,热影响区组织中的M/A岛消失并析出细小的碳化物,分布于组织中的界面附近。同时,热影响区中磷的晶界偏聚量明显增加,并随峰值温度的增加而增加,这与较高峰值温度下的晶粒粗化有关。因此,回火后热影响区的脆化主要由磷晶界偏聚引起,属于非硬化脆化机制。
【图文】：

微观形貌,解理断裂,沿晶断裂,微观形貌

哈尔滨工业大学工学博士学位论文状，但断口往往是由接近晶粒大小的解理面所组成，称为解理刻面。这些解理刻面内只从一个解理面发生解理破坏的情况是很少的。通常情况下，裂纹需跨越多个高度不一却相互平行的解理面，形成解理台阶。这些台阶出现在解理刻面上就会呈现出河流花样。因此，具有河流花样（或者舌形花样）是解理断裂的基本微观特征[26]。当组织中小角度晶界较多的情况下，表现为河流花样。当大角度晶界多时，裂纹不能通过晶界，在晶界产生新的裂纹，表现为舌状花样。此外，准解理断裂是解理断裂的一种变异。当金属材料中具有较多的细小弥散相的时候，裂纹在晶粒内部扩展时难以严格地按照特定的晶体学平面进行，其路径不再与晶粒的位向有关而是与细小弥散物有关[27]。此时，其微观形貌也类似河流花样，但形成原因与真正的解理断裂不同。a) b)

示意图,热影响区,峰值温度,位置

热输入不变时，焊缝的峰值温度也基本一致，但距离焊缝区域不影响区所经历的焊接热循环却并不相同。距离焊缝距离越近的区环的峰值温度越高，如图 1-2 所示。可以看出，，沿焊缝向母材方向热循环的热影响区可以分为过热区（粗晶区）、相变重结晶区、不时效脆化区等。一般认为，过热区峰值温度在 1200oC 到固溶线温值温度很高，加热过程中奥氏体急剧长大，冷却后的室温组织十性较高，性能较差。相变重结晶区的峰值温度在 Ac3和 1200oC 之接热循环过程中组织发生了相变重结晶，冷却后形成细小的晶粒。当峰值温度在 Ac1和 Ac3之间时，组织部分发生了重结晶，导致重结晶的细小晶粒和未结晶的粗大晶粒的不均匀组织，材料的力。此外，当峰值温度低于 Ac1时，组织没有经历相变的过程，但经度的热循环后相当于进行一次时效热处理，材料的脆性往往也比母以看出，距离焊缝不同距离的焊接热影响区会经历不同的焊接热循现在组织和性能的差异，而这种差异会最直接体现在材料的强韧同的硬度和韧-脆转变温度。1350oC焊缝熔融区峰值温度
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1

【相似文献】