金属材料

Q&P工艺处理低碳CrNi3Si2MoV钢中马氏体的研究

王存宇，时捷，曹文全，等

摘要：目的：Q&P（淬火+配分）是一种可提高马氏体钢的塑韧性的热处理工艺。通过不完全淬火获得部分马氏体，再控制C从先形成马氏体向未转变奥氏体配分，最终淬火至室温得到由一次淬火马氏体、二次淬火马氏体和残余奥氏体相构成的多相组织。以低碳CrNi3Si2MoV钢为例，表征Q&P工艺处理后的一次和二次淬火马氏体，探讨二次淬火马氏体在单轴拉伸过程中的作用。方法：采用膨胀法测量Ms和Mf温度。试样经900℃加热后，立即放入200～350℃的盐浴炉淬火，再马上放入500℃盐浴炉中配分，最后水淬至室温。采用SEM、TEM和EBSD表征钢的微观形貌和相的分布、XRD测量残余奥氏体含量、纳米压痕仪表征一次和二次马氏体的硬度、三维白光表面形貌仪表征了马氏体的三维形貌。用单轴拉伸试验测试力学性能。结果：经Q&P工艺处理后，除了板条马氏体以外，还获得尺寸为1～3 μm较难腐蚀的块状组织，200℃回火后块状组织变易腐蚀，EBSD显示块状组织为bcc或bct结构，推断一次淬火马氏体因在配分过程中发生回火而易腐蚀，二次淬火马氏体呈块状特征因呈淬火态而不易腐蚀。硝酸酒精腐蚀条件下，相对于一次淬火马氏体，二次淬火马氏体高度约300～500 μm，EDS线扫描显示其具有更高的碳含量。TEM表征显示二次淬火马氏体细微结构为宽度0.1～0.2 μm的板条马氏体，且马氏体板条取向基本相同，属于一个马氏体领域。纳米压痕测试显示二次淬火马氏体平均硬度 7.1 GPa，明显高于一次淬火马氏体3.9 GPa的平均值。Q&P工艺的第一次淬火过程中一次淬火马氏体将奥氏体晶粒分割成尺寸不均匀的若干区域，配分过程中一次淬火马氏体中的C向未转变奥氏体中配分，马氏体相变的不均匀特点导致尺寸较大的奥氏体稳定性较差，在最终淬火过程中转变为二次淬火马氏体，呈现块状形貌。随着一次淬火温度从 200℃升高到350℃，二次马氏体的数量和尺寸逐渐增加，抗拉强度有1370 MPa升高至1430 MPa，而断后伸长率在15.5%～17.0%之间波动，表明二次马氏体在单轴拉伸过程中起到了一定的强化作用，而没有导致塑性降低。观察了单轴拉伸样品非均匀变形的裂纹的形核与扩展行为，不同应变条件下，微孔洞主要由大尺寸Nb、Ti和V的碳氮化物和Al、Mg的氧化物引起，即使在应变为0.87的样品中也未观察到与二次淬火马氏体有关的裂纹形核与扩展现象。结论：Q&P工艺处理低碳CrNi3Si2MoV钢中，二次淬火马氏体成淬火态特征，不易腐蚀，由1个马氏体领域构成，马氏体板条宽度为0.1～0.2 μm，含碳量和纳米硬度均高于一次淬火马氏体，其数量和尺寸随着淬火温度的升高而增大。单轴拉伸变形中，夹杂物及氧化物是产生微孔洞的原因，二次淬火马氏体不是脆性相，而起到强化作用。

来源出版物：金属学报, 2011, 47(6): 720-726

入选年份：2016

低碳钢中残余奥氏体的调控及对力学性能的影响

任勇强，谢振家，尚成嘉

摘要：目的：高性能钢铁材料的发展需要实现高强度、高塑性以及高韧性的有机结合，而含有特定比例残余奥氏体的多相组织在提高钢材塑韧性方面的作用非常有效。本文旨在0.23C-1.8Mn-1.35Si低碳低合金钢中发展含残余奥氏体的多相组织调控路线，探索低碳低合金钢中残余奥氏体调控工艺技术，并通过获得稳定的残余奥氏体组织改善低碳低合金钢的强-塑-韧性。方法：试验用0.23C-1.8Mn-1.35Si钢采用25 kg真空感应炉冶炼，将铸锭锻造成60 mm×80 mm×240 mm的长方坯，后重新加热到1250℃均匀化1 h，1100℃开轧，经过6个道次热轧形成6 mm厚的钢板。终轧温度为860℃，轧后空冷至室温。实验钢经900℃再加热保温30 min后淬火至室温以获得完全马氏体组织。对比研究两相区再加热—淬火—配分（IQ&P）和两相区再加热—淬火—回火（IQ&T）工艺技术对残余奥氏体及性能的影响，具体工艺如下：（a）对IQ&P工艺，将样品加热到两相区770℃保温15 min，随后水淬至300℃，再迅速放入箱式电阻炉中300℃等温处理15 min，最后空冷至室温；对IQ&T工艺，770℃两相区保温 15 min后淬火至室温，再在300℃低温回火 15 min。对不同热处理工艺步骤的试样进行常温拉伸性能检测，以及采用SEM、EBSD和XRD技术对热处理过程中显微组织进行表征。结果：SEM显微组织分析表明，经过直接淬火处理的钢呈现出板条状的马氏体组织结构特征，两相区770℃退火15 min后淬火而获得针状的亚温铁素体（IF）以及马氏体（M）双相组织，在300℃对该双相钢进行15 min短时回火处理后，回火马氏体组织（TM）内部显现出了弥散析出的碳化物。SEM和XRD结果表明，IQ&P工艺处理的钢获得了亚温铁素体（IF）、有碳化物析出的回火马氏体（TM）、未回火马氏体（UM，也称二次马氏体）及14%的残余奥氏体（RA）的多相、多尺度显微组织。XRD分析不同热处理步骤后残余奥氏体含量及其中碳含量结果表明，经过300℃的15 min低温回火（IQ&T）处理，钢中的残余奥氏体含量较回火前的IQ钢出现明显下降（～5.5%至～2%），且剩余残余奥氏体的平均含C量有了显著的升高（由1.32%上升到1.45%）。经过IQ&P处理所得的钢，残余奥氏体的体积分数（14%）以及残余奥氏体中的 C含量（1.64%）。真应力-应变曲线分析表明，IQ&P试样更具有持续的加工硬化能力，因而具有较高的强塑性。EBSD对IQ&P试样拉伸前后分析表明，在拉伸过程中，随形变量的增大，残余奥氏体在逐步增大的内应力的作用下逐步发生了向马氏体的相变，从而提高其强塑性。IQ&P钢的具有优异的综合力学性能，其强塑积超过了26 GPa·%，屈服强度大于600 MPa，抗拉强度达到900 MPa，均匀延伸达到16%以上，常温半厚冲击功达到了 39 J。结论：经淬火+两相区再加热—淬火—配分（IQ&P）工艺处理后，在0.23C-1.8Mn-1.35Si钢中获得了由亚温铁素体、马氏体以及残余奥氏体等组成的多相组织，其体积分数达到14%。残余奥氏体的获得主要得益于：（1）亚温退火阶段逆转变组织中奥氏体的富Mn富C；（2）淬火-配分阶段残留奥氏体在配分过程中的二次富C。由于广为分布的残余奥氏体在形变过程中的TRIP效应，使得该类钢种在拉伸变形过程中获得了较强的持续加工硬化能力，进而实现了强度-塑性-韧性的良好结合。

来源出版物：金属学报, 2012, 48(9): 1074-1080

入选年份：2016

TC4钛合金轧板的织构对动态力学性能影响

尤振平，惠松骁，叶文君，等

摘要：目的：钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能好及综合力学性能优良等诸多优点，广泛应用于航空航天、船舶、机械加工及兵器工业等领域。在这些领域的应用过程中，钛合金作为结构材料经常会承受高速冲击载荷，要求其在规定的冲击载荷下能保证结构的完整性和连续性，具有要求的动态承载能力。材料在涉及冲击载荷的高速变形中经常出现绝热剪切（adiabatic shearing）现象。绝热剪切带（adiabatic shear band，ASB）的出现和发展常常意味着材料承载能力的下降或丧失，是材料出现断裂的先兆。而钛合金的性能主要取决于相的组成、形态、分布以及位错、织构等微结构特征，不同织构特征的钛合金的性能有着很大差异。因此利用分离式的Hopkinson压杆对不同织构特征的 TC4钛合金进行研究，分析高应变率条件下不同的织构特征与形成绝热剪切带的关系。方法：将不同织构特征的TC4钛合金制备成圆柱体试样，在Hopkinson压杆上进行高速动态压缩试验。试验后，将试样沿直径方向切开制备金相试样，进行显微观察分析。结果：950℃轧制的TC4板材，无明显织构，其 RD、TD、ND方向的动态力学性能及绝热剪切敏感性差别不明显。900℃轧制板材的主织构为，织构强度 10.557，次织构为，织构强度 5.270；1050℃轧制板材的主织构为，织构强度为15.333，次织构为，织构强度 8.070，由于织构强度较高，轧板存在明显的各向异性：TD方向的动态流变应力最大，ND次之，RD最低；RD方向发生绝热剪切失效前所吸收的能量最多，ND次之，TD最小，说明RD方向具有相对较低的绝热剪切敏感性和较好的抗绝热剪切失效能力。结论：950℃轧制的TC4板材，无明显织构，其RD、TD、ND方向的动态流变应力、动态均匀塑性应变、吸收功差别不明显，板材各方向动态力学性能的均匀性较好。织构特征对TC4板材各方向动态性能的均匀性影响较大：TD方向的动态流变应力最高，ND次之，RD最低；RD方向的动态均匀塑性应变、吸收功最大，ND次之，TD最小。

来源出版物：稀有金属, 2012, 36(1): 31-35

入选年份：2016

Inconel 718高温合金中析出相演变研究进展

刘永长，郭倩颍，李冲，等

摘要：Inconel 718高温合金广泛应用于航空、航天、电力和国防等领域中复杂金属结构构件的制造，其高温抗疲劳性能和蠕变持久强度与成形加工过程中微观组织的演变密切相关。以往的研究侧重于镍基合金热加工（如定向凝固、热处理、锻造和焊接等）工艺参数的优化，较少从析出相控制的角度来阐明冷轧、热变形、焊接等工艺与高温服役性能之间的内在联系。本文首先介绍了Inconel 718高温合金中的不同类型的析出相，包括：主要强化相-γ′′ 相、辅助强化相-γ′ 相、γ′′ 相的平衡相（δ相）相，以及 MX 型碳氮化物和 Laves相。高密度的细小γ′′相决定着镍基合金的高温性能，过量δ相的析出将消耗过多的沉淀强化元素而使合金的性能急剧下降。合金的热加工参数、热变形类型均会对δ相的析出形貌、尺寸、含量产生显著影响，进而影响 γ′′ 相和 γ′ 相的析出顺序。冷变形将提高δ相的形核速率并降低其临界形核能，促进δ相的析出与粗化。随着冷变形量的增大，γ′′ 相的析出温度逐渐降低，冷变形促进了 γ′′ 相的形核过程。γ′′ 相的析出将导致贫 Nb区域的形成，延缓 δ相的析出，同时δ相的析出还由再结晶效应决定；950℃时效过程中，δ相的析出量呈递增趋势且析出形貌由长条状逐渐变为短棒状或球状。δ相的形貌与镍基合金的高温性能密切相关，棒状δ相会促进微孔形核，应变程度相对较大时诱发微孔聚集并导致塑性降低，而针状 δ相可以阻止晶粒长大、微孔的形核和扩展。适量的δ相有利于改善Inconel 718高温合金的抗疲劳性能，过量δ相的存在将致在其周围形成贫 γ′′ 相区并降低了合金的抗疲劳性能。此外，γ′′ 相的尺寸也与合金高温疲劳过程中的循环软化行为密切相关。δ相对Inconel 718高温合金抗蠕变性能的影响尚未有一致的定论，一般认为δ相的存在不利于合金的抗蠕变性能，也有学者指出少量沿晶界析出的球状δ相可提高合金的塑性，起到钉扎作用并控制晶粒尺寸大小，延长高温蠕变寿命。对于Inconel 718高温合金而言，高能量液态焊的电子束焊接技术具有低于普通电弧焊的能量输入，其熔池区和热影响区较小，焊接残余应力和变形较低，同时较低的能量输入会导致熔合区具有较高的冷却速率，减小了熔合区 Laves相的含量和尺寸。本研究组的前期研究了不同母材晶粒尺寸大小和焊接扫描速度对电子束焊 Inconel 718高温合金焊接接头组织和性能的影响，发现电子束焊熔池的深度随母材晶粒尺寸的增大而增大，而焊接速度与熔池区几何形状之间无明显的对应关系。焊接速度将显著影响Inconel 718高温合金熔池中心的元素分布。随着焊接速度的减小，成分偏析现象加剧。电子束焊试样热影响区的微裂纹倾向于在晶界处萌生并沿着晶界分布，提高焊接速度将增加电子束焊接头热影响区的裂纹敏感性。

来源出版物：金属学报, 2016, 52(10): 1259-1266

入选年份：2016

Ce和Re对CoNiCrAlY合金1000℃氧化行为的影响

张玉朵，张弛，汪海锋，等

摘要：目的：热障涂层已广泛用于燃气轮机的涡轮叶片等高温部件。典型的热障涂层体系由涂覆于基底上的金属粘结层和陶瓷顶层组成。金属粘结层用以缓冲陶瓷层与基体之间较大的热膨胀系数差异，起到粘结过渡的作用；同时，在高温服役过程中，粘结层表面会形成一个稳定的热生长氧化物（TGO）层，兼具抗高温氧化和热腐蚀的功能。随着粘结层氧化物的生长，氧化膜内部产生生长应力，以及由于各层材料热膨胀的不同产生的残余应力，导致 TGO层发生翘曲、剥离，从而引起热障涂层系统失效。粘结层材料的化学成分和结构对服役过程中 TGO的生长速率、成分、完整性、与基体的结合力和剥落行为都起着决定性的作用。本文研究了典型的粘结层材料 CoNiCrAlY合金1000℃高温氧化行为以及添加适量Ce和Re元素对其抗氧化性能和氧化机制的影响。方法：采用商用合金粉末，添加适量合金元素，通过真空烧结和真空电弧炉反复熔炼获得合金铸锭，并对合金进行真空热处理（1120℃，2 h；850℃，24 h）。将不同成分的合金铸锭加工成直径为10 mm、厚度为1 mm的试样，在1000℃空气气氛下进行恒温氧化增重实验。实验过程中，每隔一定时间将一组试样取出冷却，并用精度为0.01 mg的电子天平称重，记录氧化增重结果，绘制氧化动力学曲线。氧化实验后，采用X射线衍射（XRD）分析氧化产物相组成。在扫描电镜（SEM）二次电子（SE）和背散射（BSE）成像模式下观察氧化膜表面形貌和截面结构，并用X射线能谱（EDS）对氧化产物进行成分分析。结果：对4种添加元素前后合金的1000℃空气氧化动力学和氧化产物进行分析，结果如下，（1）当前氧化条件下，合金氧化动力学可以划分为两个阶段，氧化初期，氧化产物主要为亚稳态θ-Al2O3和少量尖晶石等混合氧化物，氧化速率较快；稳定氧化阶段，θ-Al2O3转化成稳态α-Al2O3，氧化速率明显降低，并遵循抛物线氧化规律。（2）Ce使得CoNiCr8AlY合金的稳定阶段抛物线氧化速率常数由 3.3×10-13g2·cm-4·s-1降低为 1.5×10-13g2·cm-4·s-1，Ce和 Re的共同作用使得含 Re合金 CoNiCr6AlYRe氧化速率常数降低更为显著，由 2.8×10-13g2·cm-4·s-1降低为 7.5×10-14g2·cm-4·s-1。（3）当前氧化条件下，CoNiCrAlY合金表面形成了单一连续的 Al2O3保护膜，而CoNiCrAlYRe合金表面则形成了富Cr的氧化物外层+Al2O3内层的双层氧化膜结构，基体贫Al区生成了少量的（Al，N）化合物。活性元素Ce的加入促进了Al的选择性氧化，加速了氧化反应初期的氧化速率，加快了亚稳态θ-Al2O3向稳态 α-Al2O3的相转变，从而促进保护性单一Al2O3膜的更快形成。结论：在典型热障涂层粘结层材料CoNiCrAlY合金中适量添加Ce元素，能够促进保护性单一 Al2O3氧化膜的更快形成，明显降低氧化速率常数。Ce在Re存在的条件下对合金的抗氧化性能改进效果更加显著。

来源出版物：稀有金属, 2016, 40(5): 409-414

入选年份：2016