超高强度钢中二次硬化现象研究

第22卷 第4期2002年12月

航 空 材 料 学 报

JOURNAL OF AERONAU TICAL MATERIALS

Vol.22,No.4

Decem ber2002超高强度钢中二次硬化现象研究

赵振业

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:评述了超高强度钢中二次硬化现象的基本特征,M2C析出热力学、晶体学、动力学和机理等研究现状。研究证明,在位错上单独形核、共格沉淀的介稳定相M2C是一种可用的强化相。M2C比其他稳定碳化物具有更高形核驱动力和聚集抗力,Co提高这一驱动力和形核率。M o有效增加M2C点阵参数和聚集抗力。

关键词:超高强度钢;二次硬化;机理;共格

中图分类号:T G142.33 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2002)04-0046-10

从Taylor和White于上个世纪初发现二次硬化现象至今,二次硬化现象研究已近百年,并已成为工具钢、热作模具钢的根基。自20世纪60年代H11钢被借用作飞机耐温超高强度结构材料起,这一现象又成为超高强度钢的重要强化机理。用这一机理研究发展了多种性能优良的超高强度钢,并在先进的飞机上用作最重要的承力构件,如起落架、框架、大轴和紧固件等。随着超高强度钢的发展和研究方法的进步,二次硬化现象研究又取得了新的理论成果。本文评述这一领域的研究进展,其目的在于推进这一研究的进步和新一代超高强度钢的设计发展。

1 二次硬化现象与超高强度钢发展 超高强度钢是20世纪后半个世纪最重要的材料科学研究成果之一。该类钢以其最高的强度和优良的综合性能迅速而广泛地在航空、航天等高技术领域得到应用。表1中列出了几种二次硬化型超高强度钢的典型性能和零件应用。其中,作为300M钢的后继钢种发展的低合金超高强度钢HP310[1],当抗拉强度提高到2100M Pa水平时,因韧性过低而未获应用;超高强度不锈钢AFC-77[2]也因断裂韧性K IC值只有31MPam1/2而不能用作承力结构件。此后,超高强度钢设计多采用二次硬化机理,如中温超高强度钢38Cr2M o2VA[3],用作飞机主承力框等构件;高合金超高强度钢AF1410和Aermet100[4]都兼有优异的断裂韧性,用作起落架零件;Aermet310[5]是强度最高的航空用超高强度钢,但韧性偏低。不难看出,二次硬化现象成已为发展超高强度钢的最主要强化机理。

表1 超高强度钢的性能和典型应用

T able1 Properties and typical application of ultra-high strength steels Steel Aermet310Aermet100A F141038Cr2M o2V A AF C-77HP-310 b/M Pa217219651665180019802154 0.2/M Pa189617241517160014601859

4/%14141512.3129 /%60656855.93830 HRC5449505256 K IC/M P am1/271115154603153 a KU/J cm-227J(A KV)41J(A KV)61J(A KV)625J(A KV)-

A pplication F-22air craft

landing gear

T ail plane

axle

A irframe

收稿日期:2002-02-20;修订日期:2002-08-26作者简介:赵振业(1937-),男,研究员。2 二次硬化现象的基本特征

2.1 二次硬化现象的基本特征

二次硬化现象是指添加碳化物形成元素,如

Cr,Mo,W,V,Nb,T i 等的马氏体钢淬火后于400 以上温度回火时出现的硬度增高或降低缓慢现象。也有人定义为在回火第四阶段析出合金碳化物。可见,造成这一现象的原因是特种合金碳化物析出。

图1中给出的二次硬化型超高强度钢的硬度-冲击韧性-回火温度曲线可说明二次硬化现象的基本特征。其中包括:(1)硬度(强度)-回火温度曲线上有二次硬化峰。峰值对应的回火温度因添

加的主二次硬化元素种类而异,峰值前后的硬度降低程度取决于添加的其他碳化物形成元素;(2)冲击韧性-回火温度曲线上有两个冲击韧性谷值区。较高回火温度的冲击韧性谷值伴随有硬度降

低。这一现象首先由 ! ∀ # ∃[6]

在 961钢回

火时发现。后来Simcoe 称这一现象为 过时效 。本文作者等[7]

对这一现象进行了研究和解释。至今,由V,Nb,Ti 等元素合金化钢的特征曲线报

导甚少。

图1 二次硬化型钢典型硬度-冲击韧性-回火温度曲线

(a)AF 1410钢;(b)38Cr2M o2VA 钢

Fig.1 Hardness -impact toug hness -tempering temperature curves of secondary hardening steels

(a)AF 1410steel;(b)38Cr2M o2VA steel

2.2 二次硬化现象与合金成分

二次硬化现象的一些特征还与添加合金元素的数量相关。图2中给出了C 和Cr,Mo,M o+Cr 的影响。从图2a 和b 可见,碳不影响曲线的形状

而决定曲线的高低位置。但硬度(强度)与碳量的关系已不是低合金超高强度钢中的线性关系。图2c 表示Cr 添加量低于10%时不显示二次硬化峰现象。图2d 表示添加2.92%M o 钢中显著的二次硬化峰现象,其实,添加1.9%Mo 钢即已产生这一现象。图2e 表示在M o 钢中添加Cr 可提高二次硬化峰前区的硬度,但降低峰值硬度并宽展峰值硬度的相应回火温度范围。研究指出,Co 元素虽不是碳化物形成元素,不改变二次硬化曲线的形状,但却提高硬度,抬高曲线的位置。

3 二次硬化理论研究

早年,Kuo,谷野,Irvine 和Henycombe [8,9]等许多研究者曾用电解萃取,X 射线分析,TEM 等方法对高强度M o 钢、Cr -Mo 钢、高Cr 钢及热作模具钢中的二次硬化现象及其本质进行了大量的研究。Murry 等人曾对中碳Cr -Mo -V 超高强

度钢中的二次硬化现象进行研究。这些研究都认为二次硬化现象的原因是M 2C(M =Cr,Mo,W,Fe)共格析出。但对二次硬化现象本质的认识基本停留在Honeycombe 模型上。近些年来用TEM,STEM,AP -FIM 等方法对高Co -Ni 超高强度钢中的二次硬化现象进行了研究,并取得新的理论进步。

3.1 M 2C 的析出机理与微观组织形貌

M 2C 属hcp 结构。淬火并400 以上温度回火时从马氏体基体中沉淀出来。H enycombe [9]曾假设Mo 2C 析出的初期阶段是Mo 原子和C 原子结合沿{100}面偏聚,形成像A-l Cu 合金时效时出

现的G -P 区那样的区域,与 -Fe 基体共格析出的Mo 2C 引起二次硬化现象。复杂合金化钢中,Mo 2C 中的Mo 可被Cr,W 等元素置换成为M 2C 。M 2C 有两种形核机理,即在位错上单独形核和在M 3C 上原位形核,并分别长成细小弥散的针状和具有魏氏分布特征的粗大针状,如图3[11]和图4[12]所示。M 2C 共格形成初期,虽可借助电子束入射方向等操作观察到其形态,但无法证实其结构。其实,M 2C 尺寸小,在位错上的间距大,T EM

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