細(xì)化晶粒對(duì)mgh956合金板材低溫脆性的影響

細(xì)化晶粒對(duì)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(jī)械反應(yīng)法（ma）制備的氧化色散強(qiáng)化（ods）mgh956分量，在低溫下具有從耐、耐、耐的趨勢(shì)。然而,為追求優(yōu)異的高溫蠕變強(qiáng)度,在MGH956板材生產(chǎn)過程中,通常對(duì)其熱、冷加工各環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)實(shí)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(duì)于MGH956板材的相關(guān)研究和報(bào)道均是針對(duì)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(shí)會(huì)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(qiáng)的隨機(jī)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(xiàn)認(rèn)為細(xì)化晶粒可有效改善MGH956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(qiáng)度能保持在什么水平,這樣的問題至今未見報(bào)道。鑒于采用MGH956板材制成的零部件大多是在超高溫、強(qiáng)腐蝕、低應(yīng)力條件下服役的靜止件,通常對(duì)高溫強(qiáng)度的要求并不高,但對(duì)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(yán)格。因此,本文通過對(duì)比粗、細(xì)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(qiáng)度,研究了細(xì)化晶粒對(duì)改善MGH956板材低溫脆性的作用,及高溫持久強(qiáng)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(shí)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(duì)熱、冷軋制工藝有效的控制,軋成厚度為1.0mm,代號(hào)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(xì)(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?jǐn)?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(dòng)速率為0.25mm/min的條件下進(jìn)行拉伸,以斷口韌性剪切斷面占總面積分?jǐn)?shù)的50%(或脆性解理斷面占總面積分?jǐn)?shù)的50%)所對(duì)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(duì)所有斷口全貌進(jìn)行照相,再用LeicaMEF4A型圖象分析儀對(duì)韌性(或脆性)斷面所占比例的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量計(jì)算。金相侵蝕劑為:10%HNO3+10%HF+80%H2O(體積分?jǐn)?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(xì)小,接近等軸狀,直徑為10~30μm,心部晶粒相對(duì)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(xì)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(dá)幾十毫米,晶粒厚度最厚的約為0.5mm。2.2細(xì)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(xì)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(xì)的板材A的DBTT更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于-100℃。這樣的結(jié)果表明:細(xì)化晶粒對(duì)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(duì)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(xì)化晶粒對(duì)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(xì),板材C、B、A的DBTT分別為20、-15和-50℃。對(duì)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(xì),明顯的應(yīng)力集中均導(dǎo)致板材DBTT顯著地提高,且對(duì)細(xì)晶板材的作用更明顯。這樣結(jié)果說明,應(yīng)力集中對(duì)板材DBTT的影響至關(guān)重要。2.4各尺寸熱值對(duì)斷口形貌的影響綜合圖2和圖3的結(jié)果得知,對(duì)于MGH956板材,在低溫由于拉伸變形導(dǎo)致斷裂,無論晶粒粗細(xì),試樣為光滑還是缺口,隨實(shí)驗(yàn)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(shì),并且,只要實(shí)驗(yàn)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(rèn)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(duì)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(zhǎng)期高溫暴露表面形成的氧化膜等,實(shí)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(dǎo)致DBTT的變化。這一點(diǎn)在本實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí),對(duì)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(dǎo)致DBTT明顯提高(對(duì)比圖2和圖3);此外,在對(duì)板材室溫成型性檢驗(yàn)時(shí)得知,粗晶板材C和D的反復(fù)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(duì)比圖5a和5b),原因也是由于承受復(fù)雜應(yīng)力的杯突比主要承受簡(jiǎn)單拉壓應(yīng)力的反復(fù)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(duì)粗晶板式及高溫點(diǎn)分布的影響細(xì)化晶粒可提高變形過程晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)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(xì)化晶粒是通過材料本身對(duì)MGH956合金低溫脆性加以改善的重要途徑。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,細(xì)化晶粒對(duì)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(xì)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(xì)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(duì)板材室溫杯突斷口形貌的檢驗(yàn)得知,粗晶板材斷口呈完全脆性的穿晶解理特征,而細(xì)晶板材的則呈完全韌性的剪切韌窩特征(對(duì)比圖5b和5c)。這樣結(jié)果說明,細(xì)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(duì)使用過程的安全性也將起到有利的作用。2.6mgh956細(xì)晶鋁板b圖6為MGH956粗晶板材D和細(xì)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(xì)化晶粒的確導(dǎo)致MGH956板材的持久強(qiáng)度大幅度降低,粗晶板材D在1100℃、100h的持久強(qiáng)度為48MPa,而細(xì)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(qiáng)腐蝕、低應(yīng)力條件下服役的靜止件,對(duì)高溫強(qiáng)度的要求不高,且與傳統(tǒng)板材高溫合金中高溫持久強(qiáng)度最高的GH5188板材相比處于同一水平(圖6),還略有優(yōu)勢(shì),GH5188板材在1090℃、100h和1000h的持久強(qiáng)度分別為15MPa和8.3MPa,MGH956細(xì)晶板材B在1100℃、100h和1000h的持久強(qiáng)度分別為16MPa和大于10MPa(1000h仍未斷),而MGH956合金的抗高溫氧化