原位VC颗粒弥散强化304不锈钢的组织与性能

第40卷第6期2010年11月
东南大学学报
(自然科学版)
J OURNAL OF SOUTHEA ST UN I VERSITY (N at u ral S ci ence E diti on)
V o.l 40N o .6
No v .2010
do i :10.3969/.j issn.1001-0505.2010.06.034
原位VC 颗粒弥散强化304不锈钢的组织与性能
倪自飞1
孙扬善
1,2
薛 烽
1,2
(1东南大学材料科学与工程学院,南京211189)
(2东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室,南京211189)
摘要:为了改善奥氏体不锈钢的力学性能,采用原位铸造法制备出VC 颗粒弥散强化304不锈钢基材料,并研究了VC 颗粒的加入对304不锈钢的显微组织和性能的影响.研究结果表明,原位VC 颗粒在铸态组织中呈现2种形貌:沿晶界呈长条状分布的颗粒和在晶内均匀分布的亚微米尺寸的等轴状颗粒.TE M 结果表明,在热处理过程中有纳米尺寸的VC 颗粒析出.原位合成VC 颗粒的加入,使304不锈钢的室温及高温强度均得到显著提高,但在一定程度上降低了其塑性和冲击韧性.与母合金304不锈钢相比,采用原位合成工艺引入VC 颗粒后,在温度为650e 、应力为100M Pa 的条件下,强化钢的抗蠕变性能得到大幅度改善.关键词:VC 颗粒;弥散强化;显微组织;性能
中图分类号:TG14211 文献标志码:A 文章编号:1001-0505(2010)06-1308-05
M icrostructure and properties of i n -situ VC dispersi on -rei nforced
304stainless steel
N i Z ife i 1
Sun Y angshan 1,2
X ue Feng
1,2
(1S choo l ofM at eri a l s Science and Eng i neeri ng ,SoutheastU n i vers i ty ,Nan jing 211189,C h i na)(2Jiangsu K ey L aboratory fo r Advanced M et alli cM aterials ,SoutheastU n i versity ,Nan ji n g 211189,C h i na)
Abst ract :In o rder to i m prov e the m echan i c al properties of austen itic sta i n l e ss stee ls ,VC d ispersi o n -re i n fo rced 304sta i n less stee l is fabricated by i n -situ reaction techno l o gy ,and the effects o f the VC
particles on the m icrostructure and properties of the re i n fo rced steel are i n vestigated .The resu lts show that the VC partic l e s i n the as -cast m icro structures have t w o m o rpho log ies :long strip -shaped VC particles distributed a long t h e g rain boundaries and equiaxed subm icron ones un ifor m ly d istribu -ted in t h e m atrix g ra i n s .The trans m issi o n electron m icr o scope (TE M )resu lts show t h at the VC nan -o particles precipitate duri n g t h e hea t treat m en.t The additi o n o f the VC particles i n to the 304stai n less stee l results i n a significant i n crea se o f t h e tensile streng t h a t bo th t h e room te m perature and t h e high te m perature ,but a decrea se of the ductility and the toughness .Com pared w it h the 304sta i n less steel m atri x ,the creep resistance o f the 304stee l streng thened w ith the additi o n of the VC particles i n crea -ses no tab l y a t the te m perature o f 650e and the app lied stress o f 100M Pa .K ey w ords :VC particle ;dispersi o n-re i n fo rced;m icro structure ;property 收稿日期:2010-05-10. 作者简介:倪自飞(1980)),男,博士生;孙扬善(联系人),男,教授,博士生导师,yss un @s .cn.
引文格式:倪自飞,孙扬善,薛烽.原位VC 颗粒弥散强化304不锈钢的组织与性能[J].东南大学学报:自然科学版,2010,40(6):1308
1312.[do :i 10.3969/.j iss n .1001-0505.2010.06.034]
近年来,利用原位合成工艺制备陶瓷颗粒弥散强化钢基材料的方法已广泛应用于现代工业中.与常规的合金钢相比,以高熔点陶瓷颗粒为增强相的强化钢在耐高温、耐磨损等性能上呈现出明显的优势.在有关原位合成弥散强化钢的研
究中,通常以W C 和T i C 作为增强体[1-6]
,以其他
碳化物作为增强体的报道较少.VC 颗粒具有高熔点、高硬度、高弹性模量、良好的耐腐蚀性能和耐磨损性能,因而也是钢铁基材料中一种理想的增强体
[7-9]
.
奥氏体不锈钢作为一种用途非常广泛的结构钢,具有良好的韧塑性、耐腐蚀性能、耐高温性能和机加工性能.然而,其强度较低,不能通过热处理实现强化,从而在一定程度上限制了其应用和发展.为了进一步提高奥氏体不锈钢的室温和高温强度,本文通过原位合成工艺制备了VC 颗粒弥散强化304不锈钢材料,并研究了强化钢的显微组织和高温下的力学性能.
1 实验
以304棒材为原料(w (C )=0105%,w (C r)=1818%,w (N i)=811%,w (S)<0103%S,w (P)<0103%),制备了2种合金:¹304不锈钢母合金,即经真空重熔的304不锈钢,重熔的目的是使304不锈钢母合金和304强化钢具有相同的制备工艺,以利于性能比较.º304强化钢,即通过原位合成工艺制备的VC 颗粒弥散强化304强化钢.2种合金的熔炼均在ZG-25型真空中频感应炉中进行,熔炼时首先将304棒材随炉熔化,1700e 下加入由钒铁粉和石墨粉按一定比例压制成预制块,预制块中的V 和C 随即发生反应.由于中频感应炉的电磁搅拌作用,原位合成反应生成的VC 颗粒弥散分布于熔体中.熔体在炉中保温5m i n 后,浇入树脂砂模型中,铸锭直径为50mm.铸锭经均匀化退火、锻压和轧制后,加工成拉伸、冲击和蠕变试样.在进行力学性能和蠕变性能测试前,将试样加热至1050e ,保温40m in 后水淬.拉伸、冲击和蠕变实验分别在C SS -2202型电子万能实验机、JB304A 型摆锤式冲击实验机和RD 2-3型标准蠕变实验机上进行.蠕变试样按国家标准(GB /T 2039)1997)加工,直径和标距分别为10和100mm.合金的显微组织和冲击断口分别用O ly m pus BHM 金相显微镜和S irion 场发射扫描电镜(SE M )观察.试样的透射电镜(TE M )分析在J OEL-2000EX 型透射电子显微镜上进行.
2 实验结果
211 显微组织
图1为304基体钢和304强化钢的铸态显微组织.由图可见,304基体钢为单相奥氏体组织(见图1(a)),铸态组织中晶粒比较粗大.加入VC 颗粒后,304基体晶粒明显细化(见图1(b)).在光学金相显微镜下,VC 颗粒主要呈长条状和短杆状,
与基体界面结合良好,无团聚现象(见图1(c)).
然而,通过扫描电镜观察发现,在强化钢的晶内存在许多细小的弥散分布的球状VC,这些颗粒大小均匀,尺寸在亚微米级(见图1(d)).
图1 304基体钢和304强化钢的铸态组织
图2(a)和(b)为304强化钢(热处理态)中增强体VC 颗粒的透射电镜明场像及相应的选区电子衍射图.TE M 明场像结果显示,原位合成的增强体VC 与基体304不锈钢间的结合界面清洁光滑,说明两者结合良好.此外,TE M 还观察到许多更细小的、在固相中析出的纳米级VC 颗粒(见图2(c)),这些细小的VC 颗粒与位错的交互作用在图2(d)中清晰可见.
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第6期倪自飞,等:原位VC 颗粒弥散强化304不锈钢的组织与性能
图2 304强化钢的TEM 照片
212 力学性能
304基体钢和304强化钢的室温和高温力学性能测试结果见表1.由表可知,VC 颗粒具有明显的强化效果.室温下,强化钢的拉伸强度和屈服强度分别由母合金的713和322M Pa 提高到823和416M Pa ,提高幅度分别达到1515%和30%.高温下,VC 的强化效果更显著.在600,700,800e 下,强化钢的抗拉强度比母合金分别提高了39%,40%,36%.然而,在强度提高的同时,塑性和韧性都有所下降.
表1 2种钢的常温和高温力学性能
参数
304基体钢
304强化钢
常温600e 700e 800e
常温600e
700e 800e R b /M Pa 713431361217823601506295R 012/M Pa 322156141107416278259203D /%
56153512391740192512231924163016A k /(J #c m -2)2802802802803615361536153615HRB
73
73
73
73
98
98
98
98
注:R b 为抗拉强度;R 012为屈服强度;D 为延伸率;A k 为冲击功;
HRB 为硬度.
图3显示了2种钢室温冲击断口形貌.由图可知,与304基体断口相比,304强化钢断口上的韧窝较少,且存在一些解理台阶.此外,304强化钢断口上的VC 颗粒与基体在冲击过程中出现了断裂(见图3(c)),并呈现出一定程度的界面剥离.这些都为裂纹扩展提供了源头.因此,VC 颗粒的断
裂是强化钢韧性下降的主要原因.
图3 2种钢的室温冲击断口形貌
图4(a)为650e /100M Pa 条件下2种钢的蠕变曲线,经过100h 蠕变后2种钢的稳态蠕变速率和应变量如图4(b )所示.304基体钢的稳态蠕变速率为619@10
-9
s -1
,加入VC 颗粒后,强化钢
的稳态蠕变速率为212@10-9
s -1
,较前者降低了
6811%,100h 后的蠕变应变量为母合金的3713%.由此可知,VC 颗粒的加入可明显改善合金的蠕变性能.
3 结果与讨论
311 显微组织
钒与碳有很强的结合力,在热力学上钒容易与碳生成钒碳化合物VC.因此,在高温金属液中,预制块中的钒与碳容易发生反应,生成了VC 增强相.原位VC 增强体弥散分布在基体上,一部分VC 颗粒沿奥氏体的晶界分布,另一部分则均匀弥散分布在奥氏体晶内
[10]
.在TE M 中观察到的纳米颗粒
显然是在热处理过程中从奥氏体中析出的沉淀相,这说明预制块中的部分V 在高温下溶解于钢的熔体,形成了含V 的过饱和固溶体,进而在热处理过程脱溶,形成细小的VC 颗粒.
1310东南大学学报(自然科学版) 第40卷
图4650e/100M Pa时2种钢的蠕变性能比较
312力学性能
力学性能测试结果表明,304强化钢的常温和高温力学性能均高于母合金304不锈钢,这充分显示了VC颗粒的强化作用.根据物理冶金学的基本原理,这种强化作用主要来自于以下4个方面:
1)细晶强化对比图1中2种钢的显微组织可知,VC颗粒的引入显著细化了基体相的晶粒.根据H al-l Pa tch公式,基体的晶粒越细,材料的强度越高.VC和T i C均属于FCC结构,与钢液的润湿性良好,在凝固过程能够成为形核基底,从而提高了形核率.此外,本研究中VC颗粒是在液态合金中通过原位反应生成的,其表面洁净,更能为形核提供良好的条件.
2)颗粒与基体的体积失配VC和基体相的密度不同,因此,在显微组织中它们之间会产生体积失配,在每一个颗粒周围都会形成微区应变.这种应变产生的内应力为[11]
Rµ4f LE(1)式中,L为基体剪切模量;E为基体塑性应变;f为颗粒的体积分数.由此可知,体积失配所引起的微区应变会对母合金产生强化作用.
3)热应变母合金304不锈钢和VC颗粒的热膨胀系数分别为1716@10-6和412@10-6e-1,两者之间的差别较大.在热形变和热处理过程中的温度变化,必然会引起颗粒和周围基体相发生热应变,从而加大上述由于VC颗粒和母合金密度不同产生的体积失配,进而产生强化作用.
4)细小VC颗粒的O row an强化研究表明,如果合金中存在细小的不可变形的颗粒,这种颗粒的强化作用是通过位错绕过机制(O row an机制)产生的.位错绕过间距为K的VC颗粒所需的切应力S为[12]
S=G b
K(2)式中,G为剪切弹性模量;b为柏氏矢量;K为VC 颗粒的间距.由此可见,VC颗粒越细,这种强化作用越显著.在本文中,细小颗粒与位错的交互作用在图2(d)中清晰可见.因此,从固相中析出的细小颗粒对位错运动的阻碍作用也使合金得到强化,这也是抗蠕变性能提高的主要原因.
4结论
1)在原位制备的VC颗粒增强304不锈钢中,增强体VC颗粒与基体304不锈钢界面结合良好.VC颗粒主要呈条状沿晶界分布,晶内还存在大量亚微米级的VC颗粒.
2)预制块中的部分V在高温下溶入钢的熔体,凝固后形成含V的过饱和固熔体.热处理过程中,会析出纳米级的VC颗粒.
3)采用原位合成工艺在304不锈钢中引入VC颗粒后,304强化钢的室温和高温强度得到显著提高,但塑性和韧性有所下降.
4)与304不锈钢相比,采用原位合成工艺引入VC颗粒后,强化钢在650e/100M Pa时的抗蠕变性能得到大幅改善.
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