钢中富Cu相和NiAl相复合析出机制的研究

发布时间：2020-10-23 22:14

　　 面对前所未有的环境挑战,为了减少普通低强钢的使用数量,开发先进的超高强钢至关重要。析出强化是一种能有效提高钢及Fe基合金强度的强化方式。多类型纳米析出相的复合析出可使材料得到不同性能的优良组合,因此研究复合析出强化对发展高强度钢有重要意义。由于含有Cu、Ni、Al、Mn元素的低碳钢在时效过程中能够析出富Cu相和NiAl相,从而以相对较低的成本获得高强度、优良的韧性和可焊性,使得富Cu相和NiAl相的复合析出行为受到人们的关注。本文采用维氏显微硬度、拉伸试验、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和原子探针层析技术(APT)等手段,分析了时效过程中Fe-NiAl、Fe-CuNiAl、Fe-CuNiAlMn和Fe-CulowNiAlMn四种钢中强化相的演化规律和析出强化作用,阐述了钢中各元素的协同作用、析出相的析出行为以及析出强化效果之间的关系。主要研究结果和结论如下:(1)Cu元素对钢中NiAl相析出的影响:500 ℃等温时效过程中,Fe-CuNiAl钢比Fe-NiAl钢更早达到硬度峰值,硬度峰值持续时间较长,且其时效峰值较淬火态的硬度增量高于Fe-NiAl钢。说明Cu元素的添加加速了 NiAl相的析出强化进程,富Cu相和NiAl相的复合析出,提高了钢的析出强化效果。APT分析表明,时效初期,Cu元素的添加加速了 NiAl相的形核,从而大大推进了 NiAl相的形核、长大、粗化进程。时效过程中,Fe-CuNiAl钢中NiAl相的长大速率低于Fe-NiAl钢是由于Cu元素的扩散速率比Ni和Al低。短时时效(0.1 h)后,Fe-CuNiAl钢中先析出富Cu相,随着时效时间的延长,NiAl相逐渐析出,当时效时间增至4 h,富Cu相和NiAl相形成核壳结构(富Cu相在核心,NiAl相包裹在外侧),时效128 h后,由于富Cu相从bcc结构向fcc结构转变,而NiAl相会一直保持B2结构,两相会发生分离。(2)Mn对钢中富Cu相和NiAl相复合析出的影响:500 ℃等温时效过程中,Fe-CuNiAlMn钢中达到硬度峰值的时间及在硬度峰值保持的时间均小于Fe-CuNiAl钢,表明Mn元素的添加加快了析出强化进程。加入Mn元素后提高了时效早期(0.5 h)析出相的形核率,从而增强了时效早期的析出强化效果。但是,Mn元素的添加对时效峰值较淬火态的硬度增量影响不大,说明Mn元素未能明显增强析出强化效果。由于Mn元素在基体中的扩散系数远高于Ni和Cu,且其能取代NiAl相中Al的位置,造成晶格畸变,在NiAl相中形成缺陷,加速元素的扩散,从而促进了析出相的长大和粗化,加快了析出相的长大和粗化进程,进一步加速了富Cu相和NiAl相的分离。(3)Cu含量对钢中富Cu相和NiAl相复合析出的影响:500 ℃等温时效过程中,Fe-CuNiAlMn钢硬度到达峰值的时间短于Fe-CulowNiAlMn钢,且其时效峰值较淬火态的硬度增量比Fe-CulowNiAlMn钢高,说明Cu含量的增加加快了析出强化进程,增强了析出强化的效果。APT分析表明,时效早期(0.1 h),提高钢中Cu含量可以促进Fe-CulowNiAlMn钢中Cu,Ni,Al和Mn元素在基体中的偏聚。等温时效后两种钢中均含有高密度的富Cu相和NiAl相的复合析出相,但不同的是Fe-CulowNiAlMn钢中还有单独析出的NiAl相,而Fe-CuNiAlMn钢中有单独析出的富Cu相,随着时效时间的延长,两种钢中都只存在复合析出相。两种钢中富Cu相和NiAl相的析出次序不同。Fe-CulowNiAlMn钢的析出次序为过饱和固溶体→NiAl→NiAl + Cu,Fe-CuNiAlMn钢的析出次序为过饱和固溶体→ Cu → Cu + NiAl。(4)时效温度对钢中富Cu相和NiAl相复合析出的影响:Fe-CuNiAlMn钢在不同温度时效4h的结果显示,350 ℃时,硬度较淬火态变化不大,随着温度的提高,硬度逐渐提高,在500 ℃达到峰值,随后下降。这是因为时效温度为350 ℃时,Cu、Ni、Al和Mn元素均未出现偏聚;随着温度的提高,Cu、Ni、Al和Mn元素开始偏聚并形成富Cu相和NiAl相,其尺寸逐渐增大,数量密度逐渐降低,且由核壳结构转变为相邻分布;当时效温度增至650 ℃时,钢中只存在单一的富Cu相的析出。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG161;TG142.1
【部分图文】：

二相析出强化??二相强化是指材料通过基体中分布有细小弥散的第二相颗粒而产生强。根据第二相物理特性，分布特征以及与滑移位错的交互作用，可以有的强化机钊：位错绕过第二相颗粒并留下环绕颗粒的位错环的Ｏｒｏｗａｎ错切过第二相的切过机制｜３］。??第二相与基体之间保持共格或者半共格的关系时，错配度很小，滑移位机制通过可变形颗粒（图１．１），其强化效果主要是共格应变强化、有序层错强化、模量强化和化学强化的作用之和。对于钢铁材料中的第二相心立方的铁素体中不容易产生层错，层错强化作用可以不考虑；第二相化和模量强化的作用相对较小，也可忽略不计，因此切过机制一般只考的共格应变强化和化学强化的作用。切过机制下强度增量ＹＳ与第二相的??数／和颗粒尺寸ｄ之间存在下述关系：ＹＳ＾／１／２ｄ１／２。??

??在５５０?°Ｃ等温时效，得到硬度随时效时间变化的曲线（图１．４）。从图中可以看??出，时效１０２?ｓ后硬度开始升高，保温至７２００?ｓ出现时效硬度峰值１８７?ＨＶ，比??未时效态升高了?７５?ＨＶ。图１．５为该钢在５５０?°Ｃ时效７２００?ｓ达到硬度峰值时的透??射电子显微镜（ＴＥＭ）图像。从图１．５?（ａ）中可以看出，基体上分布着大量的纳??米级颗粒，其分布密度很大，经衍射花样标定确定这些颗粒是富铜的偏聚区。正??是由于这些富铜相的析出强化作用，使得钢在时效过程中硬度上升。??２００?－??４－??１８０?－?Ｊ?＇＼??＞?Ａ?＼??＝１６０?－?Ｊ?＼??Ｓ?Ｊ?ｉ??｜１４°－?Ｊ?ｔ?４??￣?１２０?－?４?Ａ?广－签??！?〇?〇??ｊ?＜?：?＜?１１１１１?，?Ｉ?■?１１１１?＞?１?ｊ?，?ｉ?Ｉ?ｉ?１１１１???ｌ〇２?ｉ〇３?１０４?ｌ〇５??Ａｇｉｎｇ?ｔｉｍｅ／ｓ??图１．４含Ｃｉｉ高纯低碳钢在５５０?°Ｃ等温时效过程中硬度的变化?????ＢＨ－．?＾?■??Ｋｉｎ?？?°．??图１．５含Ｃｕ钢５５０?°Ｃ时效７２００?ｓ后的ＴＥＭ图（ａ）；电子衍射花样（ｂ）；衍射花样标定（ｃ）??除了时效热处理，中子辐照条件下，含Ｃｕ钢也会析出富Ｃｕ相。Ｍｉｌｌｅｒ等［１７］??研宄发现Ｍｉｄｌａｎｄ反应堆焊件在注量为３．４ｘｌ〇２３?ｎｍ＿２的中子辐照后

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【参考文献】

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本文编号：2853608