細化晶粒對mgh956合金板材低溫脆性的影響

細化晶粒對mgh956合金板材低溫脆性的影響

與具有體心結(jié)構(gòu)（bcc）的鐵素體材料和鋼一樣，采用機械反應(yīng)法（ma）制備的氧化色散強化（ods）mgh956分量，在低溫下具有從耐、耐、耐的趨勢。然而,為追求優(yōu)異的高溫蠕變強度,在MGH956板材生產(chǎn)過程中,通常對其熱、冷加工各環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)實施有效的控制,隨后采用超高溫再結(jié)晶退火處理,使板材生成粗大的盤狀晶組織,至今對于MGH956板材的相關(guān)研究和報道均是針對這種粗晶組織的板材。研究表明,這種粗晶板材在室溫、甚至低于100℃的承載和變形條件下,有時會出現(xiàn)突然的過早脆性斷裂,盡管這種現(xiàn)象并不具有普遍性,帶有很強的隨機性和偶然性,但它的存在將影響到板材隨后室溫成型等加工的穩(wěn)定性,甚至使用過程的安全性。有文獻認為細化晶?？捎行Ц纳芃GH956合金的低溫脆性,但改善的效果如何,DBTT降低的程度,及相應(yīng)高溫持久強度能保持在什么水平,這樣的問題至今未見報道。鑒于采用MGH956板材制成的零部件大多是在超高溫、強腐蝕、低應(yīng)力條件下服役的靜止件,通常對高溫強度的要求并不高,但對因過早脆性斷裂而影響板材室溫成型等加工性能的穩(wěn)定性,及零部件使用過程的安全性的要求十分嚴格。因此,本文通過對比粗、細兩種晶粒組織狀態(tài)的MGH956板材,在光滑和缺口拉伸條件下的DBTT,及高溫持久強度,研究了細化晶粒對改善MGH956板材低溫脆性的作用,及高溫持久強度的影響。1晶粒組織及分析采用MA加工出合金粉,熱等靜壓(HIP)將合金粉固實化成合金錠,再經(jīng)熱鍛成待軋板坯。采用交叉軋制(Crossrolling),并通過對熱、冷軋制工藝有效的控制,軋成厚度為1.0mm,代號為A、B、C、D的4種板材,這四種板材經(jīng)1325℃×1.0h再結(jié)晶退火后,形成粗(板材C和D)、細(板材A和B)具有明顯不同的兩種晶粒組織狀態(tài)。MGH956合金名義成分為(質(zhì)量分數(shù),%):Fe-20Cr-5Al-0.5Ti-0.5Y2O3。采用光滑和缺口兩種試樣,在-100~100℃,卡具恒定移動速率為0.25mm/min的條件下進行拉伸,以斷口韌性剪切斷面占總面積分數(shù)的50%(或脆性解理斷面占總面積分數(shù)的50%)所對應(yīng)的溫度定義為該板材的DBTT。光滑拉伸及持久試樣的工作段尺寸均為25mm×5mm,缺口試樣是在工作段正中開單邊缺口,缺口根部半徑為0.13mm,這種試樣所產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)約為5。用JSM-6480LV型掃描電鏡對所有斷口全貌進行照相,再用LeicaMEF4A型圖象分析儀對韌性(或脆性)斷面所占比例的百分數(shù)進行定量計算。金相侵蝕劑為:10%HNO3+10%HF+80%H2O(體積分數(shù),%)。2結(jié)果與分析2.1心部晶粒尺寸4種1.0mm厚板材(A、B、C、D)的再結(jié)晶組織形貌示于圖1。由圖1可以看到,板材A和B的組織形貌相似,板材表層晶粒非常細小,接近等軸狀,直徑為10~30μm,心部晶粒相對明顯粗大,為盤狀(片層狀);板材A的盤狀晶區(qū)約占板材厚度的1/3,最大晶粒直徑不到0.5mm,板材B的盤狀晶區(qū)約占板材厚度的2/3,最大晶粒直徑約為1.0mm,板材B的平均晶粒尺寸稍大于板材A,但兩種板材的平均晶粒尺寸均比較細小,晶粒厚度也很薄,最厚不到0.05mm。板材C和D的組織形貌相似,從板材表層到心部均為極其粗大的盤狀晶,最大晶粒直徑達幾十毫米,晶粒厚度最厚的約為0.5mm。2.2細晶材料的影響圖2顯示出光滑拉伸條件下,板材A、B、C、D的DBTT曲線。從圖2可以看到,兩種具有極其粗大盤狀晶組織的板材C和D的DBTT均在0℃附近;兩種細晶板材中,晶粒稍粗的板材B的DBTT已大幅降到-75℃附近,而晶粒最細的板材A的DBTT更是遠遠低于-100℃。這樣的結(jié)果表明:細化晶粒對改善MGH956板材低溫脆性的作用十分顯著,可有效地將其DBTT向低溫推移。2.3改善mgh956面板的加工圖3對比了板材A、B、C在缺口拉伸條件下的DBTT曲線。由圖3可以看到,在有明顯應(yīng)力集中的缺口拉伸情況下,細化晶粒對改善MGH956板材低溫脆性的作用依然十分顯著,仍可有效地降低其DBTT。隨晶粒尺寸由粗到細,板材C、B、A的DBTT分別為20、-15和-50℃。對比光滑(圖2)與缺口(圖3)拉伸的DBTT曲線還可看到,無論晶粒粗細,明顯的應(yīng)力集中均導致板材DBTT顯著地提高,且對細晶板材的作用更明顯。這樣結(jié)果說明,應(yīng)力集中對板材DBTT的影響至關(guān)重要。2.4各尺寸熱值對斷口形貌的影響綜合圖2和圖3的結(jié)果得知,對于MGH956板材,在低溫由于拉伸變形導致斷裂,無論晶粒粗細,試樣為光滑還是缺口,隨實驗溫度降低,斷裂均呈由完全韌性向部分或完全脆性轉(zhuǎn)變的趨勢,并且,只要實驗溫度足夠低,且應(yīng)力集中程度足夠高,斷口均可從完全韌性的剪切韌窩轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆嘈缘拇┚Ы饫?圖4既顯示出了細晶板材A缺口拉伸和粗晶板材C光滑拉伸的斷口形貌隨實驗溫度降低由完全韌性的剪切韌窩向完全脆性的穿晶解理的轉(zhuǎn)變。因此可以認為這種韌脆轉(zhuǎn)變行為是具有BCC結(jié)構(gòu)MGH956合金本身的特性,很難從根本上消除。Davidson對MGH956板材韌脆轉(zhuǎn)變行為研究后總結(jié)出影響其DBTT的主要因素,包括:晶粒尺寸、板材厚度、變形過程所承受應(yīng)力和應(yīng)變的狀態(tài)及長期高溫暴露表面形成的氧化膜等,實際上,這些因素均可歸結(jié)為是通過改變變形過程局部的應(yīng)力集中的狀態(tài),從而導致DBTT的變化。這一點在本實驗中得到證實,對比光滑和缺口拉伸DBTT曲線得知,因缺口拉伸顯著提高試樣局部變形過程應(yīng)力集中的程度,導致DBTT明顯提高(對比圖2和圖3);此外,在對板材室溫成型性檢驗時得知,粗晶板材C和D的反復彎曲斷口呈完全韌性的剪切形貌,而杯突斷口則呈完全脆性的解理形貌(對比圖5a和5b),原因也是由于承受復雜應(yīng)力的杯突比主要承受簡單拉壓應(yīng)力的反復彎曲在試樣局部變形過程中更易形成應(yīng)力集中,且集中的程度更高。因此,應(yīng)力集中是影響MGH956板材DBTT最重要的因素,那么降低MGH956板材DBTT的途徑就是要盡可能緩解板材在受力和變形過程的應(yīng)力集中。2.5晶粒對粗晶板式及高溫點分布的影響細化晶?？商岣咦冃芜^程晶粒轉(zhuǎn)動和移動的能力,從而有效緩解變形過程的應(yīng)力集中,使DBTT明顯降低。從影響MGH956合金DBTT的諸多因素中不難得知,細化晶粒是通過材料本身對MGH956合金低溫脆性加以改善的重要途徑。本實驗結(jié)果表明,細化晶粒對于降低MGH956板材DBTT的作用非常顯著,在光滑拉伸條件下(圖2),粗晶板材C和D的DBTT為0℃,細晶板材B和A的DBTT則分別降至-75℃、-100℃以下;即便在應(yīng)力集中程度極高的缺口拉伸條件下(圖3),粗晶板材C的DBTT提高到20℃,盡管細晶板材的DBTT也顯著提高,但仍在-15℃(板材B),甚至-50℃(板材A)的室溫范圍(通常指0~30℃)以下。在對板材室溫杯突斷口形貌的檢驗得知,粗晶板材斷口呈完全脆性的穿晶解理特征,而細晶板材的則呈完全韌性的剪切韌窩特征(對比圖5b和5c)。這樣結(jié)果說明,細化晶粒的確可有效改善MGH956板材的低溫脆性,可有效避免在室溫突發(fā)脆性斷裂的發(fā)生,大大提高板材成型等加工性能的穩(wěn)定性,對使用過程的安全性也將起到有利的作用。2.6mgh956細晶鋁板b圖6為MGH956粗晶板材D和細晶板材B在1100℃及GH5188板材在1090℃的持久壽命曲線。由圖6可以看到,細化晶粒的確導致MGH956板材的持久強度大幅度降低,粗晶板材D在1100℃、100h的持久強度為48MPa,而細晶板材B的只有約16MPa,僅為粗晶板材D的1/3,但鑒于MGH956板材大多是在超高溫、強腐蝕、低應(yīng)力條件下服役的靜止件,對高溫強度的要求不高,且與傳統(tǒng)板材高溫合金中高溫持久強度最高的GH5188板材相比處于同一水平(圖6),還略有優(yōu)勢,GH5188板材在1090℃、100h和1000h的持久強度分別為15MPa和8.3MPa,MGH956細晶板材B在1100℃、100h和1000h的持久強度分別為16MPa和大于10MPa(1000h仍未斷),而MGH956合金的抗高溫氧化