（材料加工工程专业论文）214n及214n（nbv）耐热钢高温时效特性研究.pdf

中文摘要 摘要 5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ( 2 1 - 4 n ) 是目前世界各国用来制造排气门的主要钢种，在汽车工 业中获得广泛应用。使用前的组织状态对排气门的失效特性或服役性能有较大的 影响，尤其基体中存在层状组织会严重影响排气门的高温使用性能值得注意的 是由于排气门是在高温环境下工作( 7 0 0 - 9 0 0 。c ) ，室温下无层状析出的基体在高温 服役过程中可能发生分解，形成由“+ m 2 3 c 6 + c r n ) 组成的层状组织，甚至。相。这 种服役过程中产生的层状组织同样严重的影响排气门的高温使用性能，是导致排 气门早期失效的主要原因之一。 为探讨影响2 1 4 n 系排气门用钢组织稳定性的主要因素，根据近年失效排气 门累计反馈，本文选择标准牌号的2 1 4 n 钢及改进型2 1 - 4 n ( n b ，v ) 钢( 1 # 和2 # 样 品) 、两种不同原始组织状态标准2 1 - 4 n 钢( 3 # 和4 # 样品) 进行等温时效处理，利 用x 射线衍射、扫描电镜、金相显微镜等跟踪观察时效过程中组织结构变化，并 进行定性及定量分析。利用透射电子显微术观察层状组织的微观形态。对不同含 量层状组织的试样进行室温及高温力学性能进行测定，并观察其断口形貌。综合 分析研究合金成分、原始组织状态对2 1 4 n 系耐热钢组织稳定性的影响。选择典 型的失效排气门进行分析验证基体组织稳定性及其层状组织对排气门服役性能的 影响。 论文主要研究结果如下： ( 1 ) n b 、v 的加入提高了2 1 - 4 n 系耐热钢的组织稳定性，改进型2 1 - 4 n ( n b ，v ) 钢 在等温时效过程中基体不易发生分解，形成少量的层状组织。 ( 2 ) 原始组织状态对2 1 - 4 n 钢的热稳定性有较大的影响，不稳定的基体组织在等 温时效过程中容易发生分解形成层状组织( m 2 3 c 6 ) ，甚至片状。相。 ( 3 ) 层状组织的形成降低了2 1 4 n 系耐热钢的高温强度及韧性指标。 ( 4 ) 层状组织的形成使基体的强度、承载能力大大降低，还极易使气门在应力集 中部位萌生裂纹，甚至促进燃气沿晶腐蚀。服役过程中大量层状组织的形成是导 致排气门过早失效的主要原因。 关键词；2 1 4 n 系耐热钢；层状组织；组织热稳定性l 服役性能；失效分析 英文摘要 i n v e s t i g a t i o no nh i g ht e m p e r a t u r ea g i n gc h a r a c t e r i s t i c so f2 1 - 4 n a n d2 1 4 n ( n b ，v ) h e a t r e s i s t a n ts t e e l a b s t r a c t 5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ( 2 1 4 n ) h e a t - r e s i s t a n ts t e e li su s u a l l yu s e da sp l a t eo ft h ed i e s e l e x h a u s tv a l v e i ti sw i d e l yu s e di na u t o m o t i v ei n d u s t r y i t ss e r v i c ep r o p e r t i e sa th i g h t e m p e r a t u r eh a v eb e e na r e n d e db ys c i e n t i s t s ，m a n u f a c t u r e r , a n dc u s t o m e r s t h ea g i n g c h a r a c t e r i s t i c sa th i g ht e m p e r a t u r ea n ds e r v i c ep r o p e r t i e so ft h ea l l o ya r er e l a t e dt ot h e p r i o rm i e r o s t r u c t u r e e s p e c i a l l y t h ep r e s e n c eo fc e l l u l a rs t r u c t u r ei nt h em a t r i xc a n s e r i o u s l yd e c r e a s et h es e r v i c ep r o p e r t i e so ft h ev a l v ea th i g ht e m p e r a t u r e h o w e v e r , i t s h o u l db en o t e dt h a tb e c a u s et h ee x h a u s tv a l v es e r v i c e sa tt e m p e r a t u r e ( 7 0 0 9 0 0 。qt h e m a t r i xw i t h o u tc e l l u l a rs t r u c t u r ea ta m b i e n tt e m p e r a t u r em i g h td e c o m p o s et of o r m c e l l u l a rs t r u c t u r e ( m 2 3 c 6 + y + c i n ) ，e v e nop h a s e , d e p e n d i n go nt h es t a b i l i t yo ft h e m a t r i x t h ec e l l u l a rs t r u c t u r e t h ec e l l u l a rs t r u c t u r ei n d u c e dd u r i n g s e r v i c i n ga l s o i n f l u e n c eo nt h es e r v i c ep r o p e r t i e so ft h ee x h a u s tv a l v e t h ea p p e a r a n c eo ft h ec e l l u l a r s t r u c t u r ei so n eo ft h ec a u s e so ft h ep r e m a t u r ef a i l u r ef o rt h ev a l v e i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h em a i nf a c t o r sr e l a t e dt ot h em a t r i xs t a b i l i t yo f2 1 - 4 n s e r i e sa l l o y s ，a c c o r d i n gt of e e d b a c ko ff a i l e dv a l v ei nt h er e c e n ty e a r s ，i np r e s e n ts t u d y , i s o t h e r m a la g i n gt e s t sw e r ec o n d u c t e di nt h es t a n d a r d2 1 - 4 n s t e e l ，t h ea d v a n c e d2 1 - 4 n o 妯，v ) s t e e l ( s p e c i m e n 1a n d2 ) a n dt w ok i n d so f p r i o r m i e r o s t r u c t u r eo f 2 1 - 4 n ( s p e c i m e n3a n d 钒t h ep r e s e n tp h a s e sa n dc h a n g e si nm i e r o s t r u c t u r ed u r i n g a g i n gw e r ea n a l y s e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yb yx r da n ds e ma n do p m t o s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ep r i o rm i c r o s t r u e t u r ea n da l l o yc o m p o s i t i o no nt h ea g i n g c h a r a c t e r i s t i c s t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec e l l u l a rs t r u c t u r ew a so b s e r v e db yt e m t h e t e n s i l ep r o p e r t i e so ft h es p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n ta m o u n to ft h ec e l l u l a rs t r u c t u r ea t r o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e ( 8 0 0 0 c ) w e r ed e t e r m i n e dt oi n d i c a t et h e d e p e n d e n c eo ft h ee e l m a rs t r u c t u r eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ef r a c t u r e m o r p h o l o g yw a so b s e r v e db ys e m t os h o wf r a c t u r em e c h a n i s m f o u rt y p i c a lf a i l e dv a l v e sw e r ea n a l y z e dt of u r t h e rd e m o n s t r a t et h ed e p e n d e n c e m a t r i xs t a b i l i t yo rt h ec e l l u l a rs t r u c t u r eo na g i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e r v i c ep r o p e r t i e s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ： ( 1 ) a d d t i o no fn ba n dv c a ni n c r e a s e t h em a t r i xs t a b i l i t yo ft h es e r i e so f2 1 - 4 n 英文摘要 h e a t - r e s i s t a n ts t e e l , s oa st of o r ms m a l la m o u n to ft h ec e l l u l a rs t r u c t u r ed u r i n gt h ea g i n g ( 2 ) t 1 i cp r i o rm i c r o s t r u c t u r ei n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo f2 1 - 4 na l l o y t h eu n s t a b l e m i c r o s t r u c t u r ew o u l dd e c o m p o s ea g i n ga th i g ht e m p e r a t u r et of o r mc e l l u l a rs t r u c t u r e ( m 2 3 c 6 + y ) e v e np l a t e l i k eap h a s e ( 3 ) 髓ec e l l u l a rs t r u c t u r ed c c r e 勰e sh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so f2 1 - 4 n s e r i e sh e a t r e s i s t a n ts t e e l ( 4 ) t h ep r e s e n c eo ft h ec e l l u l a rs t r u c t u r em a k e sm a t r i xs t r e n g t ha n dt h ea b i l i t yo f s u s t a i n i n g1 0 a dd e c r e a s ei n t e n s e l ys ot h a tt h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r r e da tt h e i n t e r f a c eo ft h ec e l l u l a rc o l o n ya n dm a t r i xt op r o m o t ei n i t i a t i n gc r a c ka ti n t e r f a c e ，e v e n a c c e l e r a t ei n t e r g r a n u l a rg a sc o r r o s i o n t h ef o r m a t i o no ft h ec e l l u l a rs t r u c t u r ei s r e s p o n s i b l ef o rt h ep r e m a t u r ef a i l u r eo ft h ee x h a u s tv a l v e s k e yw o r d s ：2 1 4 nf a m i l yh e a t r e s i s t a n ts t e d ；c e l l u l a rs t r u c t u r e ；a g i n g t r e a t m e n t ；s e r v i c ep r o p e r t y ；f a i l u r ea n a l y s i s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士顾士学位论文：2 1 ：垒丛厘2 1 ：垒垒也，y ) 耐热锢直渔盟熬挂世班究：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名：丐备刎年弓月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打。”) 论文作者签名：而诗 日期： 导师签名：亩鼋崆磊 砷年弓月谬日 第1 章绪论 1 1 概述 内燃机是将燃料引入汽缸内，利用燃料和空气在汽缸里燃烧，产生高温高压 气体急剧膨胀对外做功，推动活塞运动的机器。内燃机又是使用量大、使用范围 广、热效率高的动力机械。在现代汽车中。内燃机是最佳的原动力，随着人们生 活的日益提高，内燃机逐渐的走进了我们的视野。 内燃机使用的传统材料是钢、铸铁和有色金属及其合金。在内燃机发展过程 中，人们不断对其经济性、动力性、排放等提出了更高的要求，从而对内燃机材料 的要求相应提高。根据内燃机今后的发展目标，对内燃机材料的要求主要集中在绝 热性、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性及热膨胀小、质量轻等方面。 展望新世纪，在今后一段时期内，钢、铸铁和有色金属及其合金，仍将是内燃 机的主要材料，各种表面强化工艺将更加先进，并得到广泛应用，以金属、，塑料、 陶瓷为基材的各种复合材料将在1 0 年之后进入惊人的高速推广时期，新材料在内 燃机上的使用也将同时加速【l - 3 】。 为提高内燃机零件的可靠性，近年来也开始采用表面强化工艺等使材料达到 所需的要求，然而改变材料化学成分与含量、合适规范的热处理来达到零部件所 要求的物理、机械性能仍然是普遍及经济的方法。 发动机的排气门是密封燃烧室并且控制发动机中气体流动的精密零件，排气 门虽小，但对发动机的性能影响很大，一旦气门疲劳断裂，会损坏整台发动机， 如果密封面损坏，也会使发动机的功率和性能大大降低。 排气门的工作温度一般在7 0 0 - 9 0 0 。c ，柴油机排气门最高温度在气门圆盘底部， 其温度常常超过8 0 0 。c ，在工作时还要受到机械应力、热负荷和化学腐蚀作用。这 对排气门的强度、刚度、耐热性能、抗疲劳性能等提出了极为苛刻的要求【4 】。 在本世纪汽车工业创始时期，气门材料采用碳钢、合金钢和铸铁等。随着发 动机转速和功率不断提高，气门工作温度和开闭频率的不断提高，对气门用钢的 要求也逐步提高。因此气门用钢经历了铬钢、硅铬钢、镍铬奥氏体钢铬镍锰 氮奥氏体钢四个阶段。至今，由于发动机种类繁多输出功率大小相差悬殊，以及 绪论 发动机设计要求各异，所以实际气门所受的压力、工作温度、和接触介质各有差 别，必须选用不同的材料，因此气门材料包括不少钢种和合金材料1 4 j 为了节约合金材料和提高气门的性能，较多地采用焊接气门。排气门一般杆 部为马氏体钢，头部为奥氏体钢。对于负荷较大的大部分柴油机气门阀面要堆焊 耐热合金。 1 1 1 国内外发展概况 自从发动机问世以来，气阀钢的材料已经历了碳钢和低合金钢硅铬型不锈钢 6 相合金奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。目前，我国常用的气阀钢有3 种，即 4 c r 9 s i 2 、4 c r l 0 s i 2 m o 和5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ( 2 1 4 n ) 。4 c r 9 s i 2 和4 c r l 0 s i 2 m o 均属于 马氏体型耐热钢，是5 0 年代从前苏联引进的。2 1 4 n 钢是上世纪5 0 年代为节镍开 发的阀门用奥氏体时效钢，目前国内外用于制造汽车、摩托车发动机排气阀应用 最广的钢号2 1 - 4 n 5 1 ，是以碳化物为沉淀硬化相的奥氏体耐热钢。该钢种导热性 差，熟膨胀系数大，变形抗力大，塑性比一般奥氏体耐热钢要差，属于奥氏体时 效钢，也常划归于难变形钢种。它是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀 硬化相弥散分布以获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热 交变条件下组织的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能，在工作温度7 0 0 0 c 下具 有良好的力学性能和高温性能。 由于2 1 4 n 钢碳氮锰含量较高，其变形抗力较高，室温下强度高、塑性低、 脆性大，且加工硬化效应明显，热变性温度范围窄，变形抗力大，生产过程中如 锻造、热轧、冷拔时易出现裂纹，导致产品成品率较低，国内一些专业化生产企 业该钢种的成品率仅7 0 8 0 。这也是当前该材料急待解决的重要问题，另外由 于我国缺少高性能高精度轧机，生产工艺落后，仍然采用热轧冷拉磨光工艺，生 产质量不稳定，如出现圆度较差，直径较差，硬度过高，力学性能不合格等问题。 许多科研院所对2 1 4 n 的裂纹形成机理进行了大量的研究：刘祖林等利用金相、 扫描电镜、透射电镜、能谱等手段对2 1 - 4 n 钢裂纹形成机理进行了研究，如固溶 处理后的晶界沉淀特征分析及对冷拉材裂纹的影响，m 7 c 3 相与热加工裂纹分析； 夏晓玲等研究了2 1 4 n 的过热和锻造裂纹，2 1 4 n 锻造裂纹分析和锻造温度参数选 择；李玉清等分析了2 1 4 n 钢中的晶界c r 2 n 6 1 。 虽然对2 1 - 4 n 钢已进行了大量的研究，但在实际应用中仍存在许多问题。 2 1 - 4 n 钢突出的问题是在高温下长时间使用过程中产生大量的层状析出物，为类珠 光体组织主要由碳化物和氮化物及奥氏体组成。层状组织的形成将降低基体的强 度，导致裂纹极易在基体及层状组织界面形成，使得气门早期失效断裂。此外， 铬的碳化物及氮化物析出导致基体贫铬，使得基体抗高温燃气腐蚀性能下降，局 部腐蚀易形成裂纹源，严重影响气阀的寿命和安全。因此国内研究所一直关注这 个问题，为了降低层状析出并考虑钢材价格不高于2 1 - 4 n 钢，研制基体组织高温 热稳定性较好，在高温服役过程中有较少层状组织出现的2 1 4 n 系耐热钢是材料 制造企业、柴油机制造厂家迫切需要的。稀土元素在金属材料中的研究和应用已 有多年的历史，其在金属材料中存在净化、夹杂物变质、改善铸态组织及性能 和进化作用，已经得到广泛的应用1 7 - 1 2 ，在许多钢种中普遍具有有益的作用，在高 合金钢中的应用也有广阔的前景，而其他微合金化元素如m o 、v 、n b 、w 等加入 钢中，能改变夹杂物组成和形态，而且有固溶强化和沉淀强化的作用，使钢既有 高的强度又有良好的塑性，起到综合改善钢的性能的作用。因此只要稀土添加量 和添加工艺控制得当，以及发挥与其他微合金化元素的交互作用，对2 1 4 1 , i 钢加 工裂纹问题的解决、提高产品成品率和产品性能是有重要作用的，也是2 1 - 4 n 钢 的发展所在。另外2 1 4 n 钢生产工艺上需要有一个突变，从而提高产品质量、生 产率和成品率。因此2 1 4 n 钢的发展趋势一是在2 1 4 n 钢基础上进行微合金化， 如添加稀土、铌、钒、钛、钼、钨等，开发出性能更高的新型气阀钢，以适应汽 车工业的发展【埘。 程世长等对2 1 - 4 n 及自行研制的改进型2 1 - 4 n 钢组织热稳定性进行了比较测 试，并对相关的力学性能进行了测刘1 4 1 。然而，由于其成分及工艺仍然处于部分 保密状态，其影响层状析出的诸多因素并未得到深入了解。 此外，影响2 1 - 4 n 系耐热钢使用性能最普遍的因素是原始组织状态，也即热 处理工艺对服役性能的影响，这一影响因素也是国内大多数柴油机配套厂家十分 关注的问题。 1 1 2 国内外排气门材料的应用情况 为满足不断被改进强化的内燃机性能要求，各国都在研制性能高、成本低的 新型气阀钢。美国在2 1 1 2 n 的基础上研制了2 3 8 n ，用于柴油机捧气门，同时研 制了低n i 的2 1 2 n 。英、德还研制出了5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n b 2 w n ( 2 1 4 n + w n b ) 和 6 c r 2 m n l 0 m o v n b n , 用于高负荷柴油机和汽油机排气门。德国还研制出了 n i c r 2 0 t t a l 代替了传统德尼莫尼克镍基合金【挎垌。我国为适应交通运输的发展， 从8 0 年代初开始就有计划的引进发达国家的各类先进机型，引进机型的特点是高 速、高负荷，功率大、气门材料要求高，我国国内生产和引进的机型排气门用材 如表1 1 和表1 2 所示l 切。 表i 1 国内生产排气门材料 t a b 1 1v a l v em a t e r i a lo fc h i n a 表1 2 引进车型排气门材料 t a b 1 2v a l v em a t e r i a lo fm t r o d u c t i o no ff o r e i g nt y p e 1 1 3 气门材料的性能要求 气门合金材料的选择是十分重要的【埘，气门合金的性能是其化学成分和热处 理交叉作用的结果。进气门对材料的要求是有良好的耐磨性和足够的强度、韧性 和耐冲击性当前大部分车用柴油机进气门的材料是马氏体钢的4 q 1 0 s i 2 m o ，通过 合理的热处理一般可以满意要求。排气门对材料的基本要求是耐燃、耐磨和有足 够的抗弯强度及防止头部下沉的抗蠕变性能。一般要用奥氏体钢或超耐热钢。通 常排气门工作温度为7 0 0 9 0 0 。c 。 1 1 4 排气门的结构特点 气门分为整体气门和堆焊气门两种。整体气门大多为奥氏体气门钢，堆焊气 门头部用奥氏体铡，杆部为马氏体钢，柴油机气门大多为堆焊气门。气门头盘部 分为平直和杯形两种，而柴油机大多为平直。气门头部与杆部连接部位的形状和 粗糙度对气门疲劳性能的影响较大，因为该区域使气门第二热点，受高温气流冲 刷，对腐蚀和疲劳失效均非常敏感，因此头部和杆部连接处的过渡圆角硬达，粗 糙度要好。为提高气门锥面和气门座表面的耐腐蚀和耐磨性，许多发动机在气门 锥面堆焊钴基和镍基合金。 1 1 5c r - m a n i - n 奥氏体气门钢 奥氏体气门钢是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀硬化相弥散分布 以获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热交变条件下组织 的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能在工作温度7 0 0 c 下具有良好的力学性能和 高温性能【1 9 1 本论文的主要工作是针对奥氏体气门钢2 1 4 n 系耐热钢进行研究的，因此重 点介绍奥氏体排气门用钢5 c r 2 1 n i 4 m n 9 n ( 2 1 4 聊。2 1 4 n 钢是目前世界各国用来制 造排气门的主要钢种。因为它不仅具有优良的高温性能，而且具有良好的耐氧化 铅腐蚀，且比较便宜，因此在各国汽车工业中获得广泛应用。2 1 - 4 n 钢是奥氏体型 耐热不锈钢，常温组织为奥氏体基体上分布着未溶碳化物。固溶处理时，未溶碳 化物不断溶入基体。奥氏体不断长大。时效处理时，溶入基体的碳化物以二次碳 化物的形式不断析出并强化基体，从而提高高温强度、耐磨性和耐蚀性。若时效 析出的二次碳化物越均匀，越弥散，则强化作用越大，持久强度也就越高。这是 - 5 绪论 因为二次碳化物的强化作用增加了蠕变抗力，阻止了蠕变变形；同时蠕变变形引 起的晶界处的应力集中能够及时得以松弛，恢复过程进行顺利，所以提高了持久 强度。 ( 1 ) 2 1 4 n 钢的化学成分 在2 1 - 4 n 钢中，因为m n 和n i 均扩大y 区，所以利用m n 代替一部分n i 的方 法来降低n i 含量。同时，为了提高奥氏体耐热钢的固溶强化和析出强化，采取增 加c 和n 的方法。另外，为了进一步提高耐氧化铅腐蚀性能，对该钢中硅作了限 制。如美国和德国标准中规定硅量o 2 5 ，我国标准中规定含硅量0 3 5 。 标准的2 l - 4 n 合金成分见表1 3 。 表1 32 1 - 4 n 合金成分( w t ) t a b 1 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 2 1 - 4 n ( w t ) ( 2 ) 2 1 - 4 n 钢的冶炼和轧制 国外大多采用超高功率电炉冶炼2 1 - 4 n 钢，从钢坯到钢材一般采用连轧机生 产，然后进行较长时间固溶热处理。我国生产2 1 4 n 的工艺比较落后，一般在普 通三相电弧炉中冶炼，浇成钢锭后，大多用锻造方式开坯，钢坯清理以后再加热， 在往复轧机上多次轧制，然后进行固溶热处理，最后再经冷拔。 ( 3 ) 2 1 4 n 钢的热处理 2 1 4 n 钢要进行固溶时效热处理，通常使用的热处理工艺为1 1 7 0 。c 固溶 3 0 r a i n ，水冷，再经7 6 0 。c ，1 0 h 时效处理【切。 1 2 本论文工作概述 1 2 1 论文研究背景 气阀是发动机上重要的工作部分及易损件，其工作条件异常恶劣，要在高温、 高压、腐蚀性燃气中经受频繁往复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有 较高的高温性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等，其工作的好坏直接影响到发动机的 工作性能，故制备气阀的材料要求也极为苛刻。排气门一般杆部为马氏体钢( 如 4 c r l 0 s i 2 m o ) ，头部为奥氏体钢。 根据2 0 0 1 - 2 0 0 6 年市场反馈，头部材料为2 1 - 4 n 钢气门断裂造成发动机捅缸故障 率高达2 5 ，其早期失效主要表现在排气门大头断裂。其断裂的主要原因是基体 组织不稳定，在高温运行过程中出现了大量的层状组织，降低了基体的韧性及承 载能力。 随着发动机向高速、重载、小体积方向的发展，对气门的高温强度、耐磨能 力、耐蚀能力及抗疲劳性能都提出了更高要求，对气门进行表面改性以提高气门 服役性能也成为研究热点。 2 1 - 4 n 钢作为国内外普遍使用的排气门用钢，其高温运行过程的稳定性一直是 国内外学者关注的热点许多制造厂商或用户试图通过添加适当的合金元素、研 究选择合适的热处理工艺，使之达到相对稳定的组织状态，避免在使用过程组织 中发生严重变化，导致排气门在运行中发生失效。目前就排气门的失效原因以及 与组织稳定性的关系国内外相关产业杂志和刊物都未做系统详细的报道。 本论文的研究工作以大连海事大学与某阀门钢生产厂家、柴油机制造厂家联 合科研项目为依托，有较强的实用背景，因此论文的研究内容及成果不仅对气阀 钢实际生产及使用有重要的指导意义，而且使许多理论问题，如影响2 1 - 4 n 系钢 热稳定性的主要因素、组织结构特性对失效特性及服役性能的影响等得到深入研 究。 1 2 2 论文研究路线 本论文进行以下研究内容： ( 1 ) 选择2 1 4 n 钢及改进型2 1 - 4 n ( n b ，聊钢作为研究对象，进行等温时效处理， 研究合金成分对2 1 4 n 系耐热钢热稳定性影响 ( 2 ) 选择不同原始组织状态的2 1 - 4 n 钢作为研究对象，进行等温时效处理，研究 原始组织状态对2 1 - 4 n 钢热稳定性的影响。 ( 3 ) 利用x 射线衍射( x r d ) 、扫描电子显微术( s e m ) 、光学显微术( o p m ) 等试验手段跟踪测试及观察时效过程中组织结构变化：并进行定性及定量分析。 ( 4 ) 利用透射电子显微术研究时效过程中微观组织变化，研究2 1 - 4 n 系耐热钢时 效过程中的相变机理。 ( 5 ) 研究时效过程中组织结构变化对2 1 - 4 n 系耐热钢基本力学性能( 硬度、室温 力学性能，高温力学性能) 的影响。 ( 6 ) 选择典型的失效排气门进行分析，研究排气门失效与组织结构、组织稳定性 的关系。 第2 章实验材料和方法 2 1 样品选择及制备 ( 1 ) 样品的选择 选择标准2 1 4 n 及改进型2 1 - a n f n b ，v ) 耐热钢作为研究对象( 分别编号为1 # 和 2 # ) 。 选择两种不同生产批次的成品排气门作为研究对象，其头部材料均为标准的 2 1 4 n 耐热钢( 分别编号为3 # 和4 # ) 。组织、相结构观测部位统一选择大头圆盘 底部。 ( 2 ) 样品的制备 金相样品及x 射线样品制备：将试片依次经粗磨一精抛一侵蚀( 侵蚀剂为：苦 味酸+ 硝酸+ 酒精) 等次序制成金相试样，进行s e m 、o p m 观察、能谱分析及x 射 线衍射测定。 透射电镜观察样品制备：利用电火花切割机从块状试样上切取0 5 r a m 的薄片， 机械减薄至约4 0 p r o ，利用t e n u p o l - 2 型电解双喷仪进行电解减薄，电解液为 1 0 v 0 1 高氯酸酒精溶液，电压为4 0 v ，温度为一2 0 。c 。利用离子薄化器对样品进 行最后减薄。 力学性能样品制备：室温和高温拉伸试棒均按国标加工成比例试样。 2 2 模拟热处理工艺 ( 1 ) 对1 # 及2 # 样品系列首先进行固溶处理( 1 1 5 0 。c x l h ，水淬) ，每一系列样 品分别在7 5 0 。c 、8 0 0 。c 及8 5 0 。c 下进行等温时效，时效时间选择5 小时、8 小时、 1 2 小时和2 4 小时。 ( 2 ) 由于3 # 及4 # 样品均取自未使用成品排气门头盘部，其中3 # 样品选自服役 后未发生失效的同批次排气门，而4 # 样品选自服役过程中发生失效的同批次排气 门。对于3 # 及4 # 样品系列直接进行等温时效处理，时效温度为6 0 0 。c 、7 0 0 。c 、 8 0 0 。c 及9 0 0 。c ；时效时间均为5 小时。 热处理实验均在s x 2 - 4 - 1 3 型电阻炉中进行。 实验材料和方法 2 3 分析测试方法 2 3 1x 射线衍射分析 利用日本r i g a k u 公司制造的d m a x - u l t i m a + 型x 射线衍射仪定性测定时效过 程中相组成变化。测试条件为：c u k c d 辐射，管功率为4 0 m a x 4 0 k v 2 0 扫描范围 为3 0 0 1 0 0 。 2 3 2 扫描电镜观察 利用荷兰p h i l i p s 公司生产的x l - 3 0 型扫描电镜观察时效过程2 1 4 n 系耐热钢 中组织变化、力学性能测试试棒的拉伸断口及失效排气门的断口形态。利用美国 e d a x 公司生产的超薄窗x 射线能谱仪测定基体、析出相及断口表面微区化学成 分。 2 3 3 金相显微镜观察 利用o l y m p a s 公司制造的g x - 5 1 型金相显微镜观察时效过程中的组织变化， 并利用o l y c i am 3 图像分析软件1 2 0 - 2 1 1 ，结合人工定量计数对时效过程中形成的层状 组织进行定量计算。测量对象选择a i a ，即被测对象在单位测量面积上所占的面积。 为了获得较为可靠的结果，定量结果为2 0 个视场观察结果的平均值。 2 3 4 透射电镜观察 利用日本h i t a c h i 公司生产的h 8 0 0 型透射电子显微镜观察2 1 4 n 系耐热合金 层状组织微观形态，加速电压为1 7 5 k v 。 2 3 5 力学性能测试 利用m h - 6 型显微硬度计测定不同组织区域的显微硬度，测试载荷为5 0 0 9 ： 利用布洛维硬度计测定2 1 4 n 系耐热钢在时效过程中宏观硬度的变化：利用万能 试验机测定材料的室温拉伸性能s b 和6 ，利用日本岛津d c s 1 0 t 高温拉伸试验机 测定试棒在8 0 0 。c 的高温力学性能sb 和6 。 2 1 - 4 n 及2 1 - 4 n ( n b ，耐热钢高温时效特性研究 第3 章等温时效特性研究 3 1 合金成分对2 1 4 n 系耐热钢时效特性影响 3 1 1 原始组织结构特性 3 1 1 1 化学成分分析 利用分析光谱的方法对1 # 和2 # 原始样品进行了成分测定，结果见表3 1 。 表3 1 原始组织化学成分测定结果( w t ) t a b 3 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fo r i g i n a lo r g a n i z a t i o n ( w l ) 从上表中的化学成分测定结果可以看出，1 # 样品的主要成分与标准殂一4 n 钢 相符。与1 # 样品相比，2 # 样品中的n i 含量减少，m n 和c r 有所增加，重要的是 n b 含量增加较多( 增加了5 7 5 7 ) ，v 含量相对增加也较多。 3 1 1 2x 射线衍射结果与分析 为对比研究等温过程中相组成变化，对固溶处理后的1 # 和2 # 样品进行了x 射线衍射测定，如图3 ，1 、图3 2 所示。 结果表明：固溶态1 # 及2 # 样品主要由i r 奥氏体组成，m 2 3 c 6 衍射峰强度很 低，但从图中明显看出，2 # 样品的x 射线衍射图出现了n b c 衍射峰，这表明2 # 样品中添加的合金元素铌与碳形成了合金碳化物n b c 。 等温时效特性研究 舶d e g 图3 11 # 样品固溶态x 射线衍射图 f i g 3 1x r dp a t t e r no f s p e c i m e n1s o l u t i o n - t r e a t e d 2 0 d e g 圈3 2 2 # 样品固溶态x 射线衍射图 f i g 3 。2x r dp a t t e r no f s p e c i m e n2s o l u t i o n - t r e a t e d 3 1 1 3s e m 观察结果与分析 1 # 样品及2 # 样品固溶处理后的显微组织( s e m ) 如图3 3 及3 4 。 1 2 2 1 - 4 n 及2 1 - 4 n ( n b ，v ) 耐热钢高温时效特性研究 从图中可以看出，它们均由奥氏体基体+ 弥散分布的粒状碳化物( m 2 3 c 6 ) 组 成，奥氏体晶粒较均匀。 图3 。31 # 样品固溶态显微组织 f i g 3 3s e mo b s e r v a t i o n s p e c i m e n1s o l u t i o n - t r e a t e d 图3 42 # 样品固溶态显微组织 f i g 3 4s e mo b s e r v a t i o no ns p e c i m e n2s o l u t i o n - t r e a t e d 表3 22 # 样品较大颗粒的化学成分测定结果 t a b 3 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fw i d e rg r a i no fs p e c i m e n2 值得注意的是，对2 # 样品晶内及晶界分布的较大颗粒进行了能谱分析结果表 明( 表3 2 ) ；较大颗粒中的c 、n b 原子比接近1 - 1 ，为n b c 颗粒，与x 射线衍射 结果一致。 等温时效特性研究 3 1 2 等温时效处理 固溶体的脱溶沉淀，虽然平衡相组成是唯一的产物，但却可由多种途径析出 成分、结构、尺寸和形态各异以及热力学性质不同的脱溶物，由此造成了脱溶反 应后组织与性能的巨大差别，固溶体的脱溶一般通过两种机制进行。连续脱溶和 非连续脱溶两类脱溶沉淀过程的示意图见图3 5 。 起始 途中 终了 连续脱溶非连续脱溶 图3 5 连续脱溶和非连续脱溶 f i g 3 5c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o na n dd i s c o n t i n u o u sp r e c i p i r a t i o n 连续脱溶t 脱溶析出是由母相基体中均匀或非均匀( 位错) 形核、长大。随 着析出相数量增多，母相基体溶质浓度均匀地下降。连续脱溶沉淀一般形成基体 均匀分布着尺寸较小的脱溶相微观组织。2 1 - 4 n 钢晶内析出的尺寸较小的片状组织 就是通过连续脱溶沉淀机制形成的。 非连续脱溶：脱溶相在基体中特定地区( 多数情况在晶界处) 析出，仅引起 母相局部地区成分变化，并在脱溶区内达到两相成分和数量的介稳平衡，形成区 别与母相其它区域的胞状脱溶区。随着时效过程的进行，脱溶分解组织向晶内生 长。脱溶过程的继续是此种双相胞向未发生成分变化的母相中生长。非连续脱溶 2 1 - 4 n 及2 1 - 4 n ( n b ，耐热钢高温时效特性研究 沉淀通常形成所谓的胞状组织，即与珠光体形态类似的片层相间组织。2 1 - 4 n 钢时 效过程中形成的所谓层状组织就是通过不连续沉淀机制形成的胞状分解产物阎。 3 1 2 1x 射线衍射结果与分析 对不同温度时效不同时间的1 # 及2 # 样品进行x 射线衍射测定，为了更清楚 地定性反映出时效过程中相组成变化，将同一温度时效不同时间的x 射线衍射图 迭加在一起，如图3 6 至图3 1 1 所示。 观察测试结果可知：l # 撵品从7 5 0 。c 时效5 小时开始出现了明显的m 2 3 q 衍 射峰，而且随着时效时间的延长和时效温度的升高，m 2 3 q 的衍射峰强度增加， 7 5 0 。c 时效1 2 小时开始出现。相衍射峰。而2 # 样品7 5 0 。c 时随着时效时间的延长， m 2 戤衍射峰峰强无明显变化，温度的升高仅使得m 2 3 q 衍射峰强度略有增加，在 7 5 0 。c 时效2 4 小时及8 0 0 。c 、8 5 0 。c 时效时也出现了。相衍射峰，但强度明显小于 1 # 样品。因此，2 # 样品有较好的热稳定性。 2 0 。d o g 图3 6l # 样品7 5 0 。c 时效x 射线衍射图 f i g 3 6x r dp a t t e r n so fs p e c i m e n1a g e df o rd i f f e r e n tt i i n ea t7 5 0 。c 等温时效特性研究 2 0 d o g 图3 7l # 样品8 0 0 。c 时效x 射线衍射图 f l g 3 7x r dp a t t e r n so f s p e c i m e n1a g e df o r d i f f e r e n tt i m ea t8 0 0 6 c 2 0 d e a 图3 81 # 样品8 5 0 。c 时效x 射线衍射图 f k 3 8x r dp a t t e r n so f s p e c i m e n1a g e df o rd i f f e r e n tt i m ea t8 5 0 c 1 6 - ! ! ：型墨! ! 兰翌g 竺：旦堕垫塑塑塑堕塾堑丝堕壅 2 0 d o g 图3 92 # 样品7 5 0 。c 时效x 射线衍射图 f i g 3 9x r dp a t l e m so f s p e c i m e n2a g e df o rd i f f e r e n tt i m ea t7 5 0