新型二次硬化高Co_Ni超高强度钢强韧化机制的研究

1995211216收到,1996204222收到修改稿

航空基金资助课题

新型二次硬化高Co -N i 超高强度钢

强韧化机制的研究

凌　斌　钟　平　钟炳文　赵振业　张少卿

(北京航空材料研究所4室,北京,100095)

ON THE STRENGTHEN ING M ECHAN IS M OF H IGH Co -N i

UL TRAH IGH STRENGTH STEEL

L ing B in ,Zhong P ing ,Zhong B ingw en ,Zhao Zhengye ,Zhang Shaoqing

(4th Facu lty ,Beijing In stitu te of A eronau ticalM aterials ,Beijing ,100095)

摘　要　研究了二次硬化型超高强度钢23N i Co 的显微组织及其强韧化机制。结果表明,430℃回火,马氏体分解形成大量的渗碳体,粗大渗碳体粒子分布在板条边界,合金的韧性最差。440～455℃回火,位错上有细小碳化物的析出共格区,合金的强度最高。482℃回火,片状渗碳体含量减少以及在板条边界形成薄膜状的逆转奥氏体,合金的韧性迅速增加。高温回火,M 2C 粗化失去与基体的共格关系,钢的强度下降。

关键词　超高强度钢　二次硬化　回火

中图分类号　V 252.1,T G 142.1

Abstract T he m icro structu re and strengthen ing m echan is m of u ltrah igh strength 23N i Co steel w ere studied .U pon tempering at 430℃,the m arten site w as decompo sed to fo rm a lo t of ce 2

m en tite p latelets concom itan t w ith a sign ifican t drop in toughness

.T empering at 440～455℃resu lted in peak strength due to the p reci p itati on of coheren t zones of fine carb ides

.T he peak in toughness w as attained in the ab sence of cem en tite and the fo rm ati on of reverted and stab le

au sten ite .T empering at h igher temperatu res resu lted in lo ss of bo th strength and toughness

.T he drop of the strength tempering at h igh temperatu re is due to p reci p itati on s coarsen ing and lo ss of the coheren t w ith the m atrix .

Key words u ltrah igh 2strength 2steels secondary harden ing temper

高性能飞行器需要兼备有良好断裂韧性和疲劳性能的超高强度材料,在过去的几十年里,二次硬化型超高强度钢的结构和机械性能得到了广泛的研究。H P 9242X 系列钢(9N i 24Co )及其改良钢种H Y 180[1]和A F 1410[2,3],由于比强度太低,它们对大多数航空构件并不适用。近年,美国Carp en ter 技术公司研究和发展中心的Schm idt 和H em p h ill 等人在

A F 1410钢成分的基础上研究出一种新型超高强度钢A erm et 100钢[4]。在韧性损失小的条

件下,A erm et 100钢比A F 1410钢具有更高的强度,但目前对产生如此高的强度和韧性的原因以及微观组织尚不清楚。本文将对成分与A erm et 100钢相仿的23N i Co 钢在不同回火温度的组织和性能进行研究,以揭示其强韧化机制,这对发展我国超高强度钢有积极和重要的意义。

第18卷　第1期1997年　1月 航　空　学　报A CTA A ERONAU T I CA ET A STRONAU T I CA S I N I CA V o l .18N o.1Jan .1997

1　材料与试验方法

试验用料采用双真空熔炼。其化学成分(重量百分比)为0.23C 211.73N i 23.13C r 213.85Co 21.25M o 20.01T i 20.03A l 20.04N b 20.07Si 20.001S 20.006P 20.02M n 。固溶处理温度为885℃,保温1h ,油淬至室温后立即深冷至-73℃,1h 保温,空气升至室温。在200～600℃间不同温度回火6h 后,将试样加工至规定尺寸,进行常规力学性能试验。然后用线切割方法将试样切成0.15mm 厚的薄片,经金相砂纸研磨后,在电解双喷仪上制备透射电镜薄膜试样。用H 2800型透射电子显微镜进行观察,加速电压200kV 。

2　试验结果

图1　回火曲线

2.1　回火曲线

图1为23N i Co 钢不同温度回火6h 后

的屈服强度(0.2YS )、拉伸强度(T YS )及断

裂韧性(K 1C )、冲击韧性(a k )、硬度(HRC )、

延伸率(E l .)和断面收缩率(RA .)等机械性

能与回火温度的关系曲线,可以看出其力

学性能随回火温度的变化是复杂的。

欠时效(200～400℃),钢的强度水平

较低,在200～300℃之间,0.2YS <

1750M Pa ,洛氏硬度值只有49.5,但韧性很

好,冲击韧性和断面收缩率及延伸率在

200℃左右达到最大值。高于400℃回火,钢

的强度开始回升。峰时效(420～465℃),钢

的强度和韧性变化幅度都较大。440～455℃

硬度和强度达到最高值,HRC 为55.5,

0.2YS >2100M Pa ;但此时塑性和断裂韧性达到最低值,K 1C =49.0M Pa m ,E l .=12.5%,RA .=51.2%。超过465℃回火,强度开始下降,塑性和韧性回升。482℃,拉伸强度跌落至1961M Pa ,K 1C 上升到98.5M Pa m ;随回火温度升高,拉伸强度继续下降,断裂韧性增加。510℃回火,0.2YS =1680M Pa ,K 1C =131.0M Pa m 。可以看到,峰时效强度最高而断裂韧性和塑性最低,稍过时效后,韧性显著上升。482℃回火,合金不仅具有较高的强度水平,同时还有较高的断裂韧性值。

2.2　不同温度回火的显微组织

淬火态组织主要为位错马氏体,位错密度很高,孪晶马氏体约占30%。组织中还有少量残余奥氏体(A R )。大量的Ε碳化物在位错上形核析出。

200℃回火,Ε2碳化物开始向Fe 3C 转变。300℃回火,组织中出现大量的片状Fe 3C ,呈魏氏分布,如图2所示。有两种尺寸的Fe 3C ,大的长度250～300nm ,小的长度30～60nm 。420～465℃回火,在位错线上有极细小的无规则形状的析出相,无确定的分布方向,衍射谱中无漫散射,如图3(a )。

54第1期凌　斌等:新型二次硬化高Co 2N i 超高强度钢强韧化机制的研究