成分与热处理对4J36合金力学和物理性能的影响.pdf

第35卷第12期 2014年12月 材料热处理学报 t ansactions of mate ials and heat t eatment vol 35no 12 december2014 成分与热处理对 4j36 合金力学和物理性能的影响 石照夏 颜晓峰 段春华 赵明汉 陈霞 钢铁研究总院高温材料研究所 北京100081 摘要 采用光学显微镜 扫描电镜 线膨胀系数测试 弹性模量测试 显微硬度测试等方法 研究了 4j36 合金的成分添加及退火 温度对显微组织 线膨胀系数 弹性模量 强度 硬度及塑性等性能的影响 结果表明 试验合金中添加 c si mn 总量的增加 有 利于提高合金的弹性模量 强度及硬度 但会导致线膨胀系数线性增加 三炉次合金中 c si mn 总量最高的 4j36 合金能很好 地满足工况环境下性能指标要求 随退火温度的升高 奥氏体晶粒逐渐长大 并伴有少量的退火孪晶 合金的塑韧性较锻态显著 提高 拉伸断口呈韧性断裂特征 退火处理前的锻态合金组织为单一的奥氏体 但组织均匀性较差 在 820 850 范围内进行 退火处理后 合金晶粒组织均匀 综合力学性能优于其他温度下处理的合金 关键词 4j36 合金 成分 热处理 物理和力学性能 显微组织 中图分类号 tg166 7文献标志码 a 文章编号 1009 6264 2014 12 0031 07 effect of composition and heat treatment on mechanical and physical properties of 4j36 alloy shi zhao xia yan xiao feng duan chun hua zhao ming han chen xia high temperature materials esearch institute central iron and steel esearch institute beijing 100081 china abstract microstructure coefficient of thermal expansion modulus of elasticity strength hardness and ductility of 4j36 alloy were investigated by means of optical microscopy scanning electron microscopy coefficient of thermal expansion test modulus of elasticity test and hardness measurement the results indicate that the increasing of the total contents of c si and mn is in favor of the improvements of modulus of elasticity strength and hardness but resulting in the linear increase of coefficient of thermal expansion among the three furnaces no 3 4j36 alloy with the highest total content of c si and mn can meet the requirement of performance specification under operating condition very well with the annealing temperature increasing the austenite grains grow up gradually accompanied by a small amount of annealing twin crystals meanwhile the plasticity and toughness of the alloy are significantly improved compared with that in forged state and the tensile fracture is characterized by ductile rupture the microstructure of the forged alloy before annealing is characterized by single phase of austenite but is less uniformity when annealing at 820 850 the grain size of the alloy becomes more uniform and the comprehensive properties are better than those of treated at the other annealing temperatures key words 4j36 alloy composition heat treatment physical and mechanical properties microstructure 收稿日期 2014 06 30 修订日期 2014 10 22 作者简介 石照夏 1985 女 博士 从事铁 镍合金组织性能及 加工技术研究 电话 010 62183360 e mail zxshiustb 163 com 含镍 36 的 fe ni 合金具有很低的膨胀系数 因其尺寸几乎不随温度变化而被称为因瓦合金 invar alloy 近年来随着因瓦合金应用领域的扩 展 如海洋长途运输的液化天然气储罐 特殊传输 电缆 大型电子望远镜的基座定位装置 大型飞机 复合材料的模具等 对其强度等力学性能提出了更 高要求 1 2 因瓦合金的强度和硬度不高 抗拉强 度一般 500 mpa 3 4 为了提高因瓦合金的强度 已开发出了 fe ni c fe ni mn c fe ni co 等因瓦 合金体系 5 6 元素添加量增加虽能提高基体合金 的强度 但合金的膨胀性能也随之增大 7 因此 通过元素调整获得因瓦合金高强度的同时 也要兼 顾低膨胀系数这一指标 此外 该类合金只有在热 处理后才能发挥其性能优势 与因瓦合金相对应的国内牌号为 4j36 合金 含 35 0 37 0 ni 余为 fe 4j36 合金具有热膨胀 系数小 良好的尺寸稳定性和容易消磁等特点 因而 在航空航天 军事武器 微波通讯 彩电荫罩以及石油 运输容器等行业中得到了广泛应用 成为 21 世纪倍 受人们关注的合金之一 并在应用中得到了不断的发 展 8 但是过去研究 4j36 合金主要集中在其物理性 能及热膨胀系数稳定性方面 而有关 4j36 合金成分 热处理及性能关联性的研究却鲜见报道 本文针对 国内某特殊行业用 4j36 合金的成分及性能要求 通 doi 10 13289 j issn 1009 6264 2014 12 007 材料热处理学报第 35 卷 过研究成分与热处理过程中退火温度的选择对合金 性能的影响 为特殊工况环境用 4j36 合金成分及热 处理工艺的优化提供依据 1试验材料及方法 试验合金采用 10 kg 真空感应炉熔炼 通过添加 具有梯度含量的 c 和 mn 冶炼三炉合金 锭重 5 kg 成分如表1 所示 由表1 可知 三炉次4j36 合金中 c 和 mn 元素含量存在明显的梯度 且 no 2 和 no 3 合 金中 si 含量较高 将得到的铸锭热锻至 15 mm 的 棒料 在锻棒上取样制成如图 1 所示的拉伸试样 在 mts 万能试验机上测试合金室温拉伸性能 将锻棒 在 850 条件下进行退火软化处理后机加工成 4 mm 25 mm 膨胀测试试样和 4 5 mm 150 mm 弹性模量测试试样 热膨胀系数测试在 dp 49 光学 三角差示膨胀仪上进行 弹性模量测试在 dt 1 弹性 综合测量仪上进行 将优选成分的合金锻棒在箱式 电阻炉中进行退火热处理 退火温度为 820 880 940 和 1000 保温时间为 1 h 空冷 在经不同热处理 后的合金棒料上沿纵向截取金相试样 将试样进行打 磨 抛光 侵蚀后进行组织观察 侵蚀剂为 4 g cuso4 5h2o 20 ml hcl 20 ml h2o 溶液 用 olympus gx71 光学显微镜对试样进行组织观察 测定试样显 微硬度选用 hxs 1000a 型数显显微维氏硬度计 测 量时选取的载荷砝码 100 g 载荷保持时间 10 s 放大 倍数 400 倍 选取 6 个测点 计算平均值 表 1试验合金的化学成分 质量分数 table 1composition of tested alloys mass fraction alloycsimnpsnife equirements 0 05 0 3 0 6 0 02 0 0235 0 37 0bal no 10 0010 0650 100 00320 00636 17bal no 20 0030 0890 300 00320 00636 17bal no 30 0070 0820 410 00350 00736 49bal 图 1拉伸试样尺寸示意图 fig 1schematic of the tensile sample 2实验结果与分析 2 1合金的显微组织 根据 fe ni 二元合金相图 9 图 2 可知 fe ni 二元系存在一个包晶反应 一个共析反应 在 517 存在 feni3的有序无序转变 ni 含量为 28 44 的 fe ni 合金在缓慢冷却时得到 两相平衡组 织 快速冷却时则形成具有面心立方结构的 固溶 体 ni 含量在 0 30 范围内 相变有一温度 滞后 ni 含量越高 滞后现象越严重 在 ni 含量约 为 36 fe 含量约为 63 时 合金在 430 以上处 于单相区 且 组织很稳定 图 3 为 no 1 4j36 合金锻态时的显微组织 从 图 3 可以看出 未经热处理的 4j36 合金组织为单相 图 2 fe ni 二元合金相图 fig 2fe ni binary alloy phase diagram 奥氏体组织 且为等轴晶 但晶粒大小不均匀 形状也 不规则 2 2成分对 4j36 合金性能的影响 在 fe ni 因瓦合金的基础上 合金成分的变化会 对其膨胀系数 弹性模量等物理性能和力学性能产生 明显影响 为确定成分对 fe ni 因瓦合金物理性能 的影响 已有研究 10 考察了分别添加微量 c si 和 mn 等元素对 fe 36 ni 合金在 30 100 范围内热 膨胀系数的影响 研究结果指出 分别添加 c si mn 元素都会增大平均线膨胀系数 合金实际冶炼过程 23 第 12 期石照夏等 成分与热处理对 4j36 合金力学和物理性能的影响 图 3 no 1 4j36 合金锻态组织 fig 3microstructure of no 1 4j36 alloy in forged state 通常会造成合金元素 尤其是微量添加元素含量的波 动 从而造成微量元素总量出现较大变化 由于分别 添加 c si mn 含量均增加 fe ni 因瓦合金线膨胀系 数的规律相同 基于实际生产过程中合金成分的变 化 本文研究了 c si mn 元素总量 c si mn 对 4j36 合金物理和力学性能的影响 图 4 为三炉次合金中 c si mn 对 4j36 合 金平均线膨胀系数和弹性模量的影响 从图 4 a 可 以看出 随着 c si mn 的升高 合金在 20 100 的平均线膨胀系数线性增加 当 c simn 为 0 166 时 平均线膨胀系数最低 仅为 0 77 10 6 k 20 100 当 c si mn 增 加至 0 499 时 平 均 线 膨 胀 系 数 线 性 增 加 至 1 27 10 6 k 20 100 fe ni 合金的低膨胀 特性与 fe 原子具有高自旋和低自旋两种不同的能态 有关 高自旋态使磁性稳定并使合金的体积膨胀 当温度升高时 fe 原子从高自旋态向低自旋能态过 渡 就会引起体积逐渐收缩 随着温度的升高 晶格 振动增加 原子正常热振动引起体积膨胀 但这一效 应被 fe 原子自旋态由高向低转变引起的结果所抵 消 从而使合金表现出低的线膨胀系数 11 本研究 中 c si mn 增加导致合金中高自旋态状态 fe 原子的数量降低 削弱了合金随着使用温度的升 高 高自旋态转变为低自旋态时的体积收缩量 进而 导致合金的线膨胀系数增加 将线膨胀系数随元素含量变化线性拟合可得 4j36 合金线膨胀系数随 c si mn 的变化满足 下式 0 52 1 51 c si mn 1 表 2 列出了某特殊行业工况环境用 4j36 合金的 性能指标要求 其中线膨胀系数为 1 5 10 6 k 20 100 按照式 1 线膨胀系数随温度变化 要满足线膨胀系数要求 应将合金中 c si mn 控制在 0 65 以下 表 2特殊工况环境用 4j36 合金性能指标要求 table 2 equirements of performance under the special operating condition physical performancemechanical properties coefficient of thermal expansion 10 6k 1 20 100 modulus of elasticity gpa m mpa p0 2 mpa a z hardness hv equirements of performance 1 5 140 390 220 20 60 110 从图 4 b 看出 c si mn 较低的 no 1 合金 其弹性模量为 140 gpa 仅达到指标要求 随 着 c si mn 的增加 弹性模量值增加 c si mn 较高的 no 3 合金 其弹性模量高达 147 gpa 可很好满足指标要求 图 5 为三炉次合金中 c si mn 对 4j36 合 金力学性能的影响 从图 5 a 可以看出 随着 c si mn 增加 合金抗拉强度和屈服强度明显增 加 且屈服强度增加更为显著 从图 5 b 可以看出 合金强度增加的同时塑性降低 图 5 c 表明 c si mn 增加会显著增大合金的硬度 与大多 数 fe ni 合金的强化方式相同 提高因瓦合金的强度 可以通过固溶强化 沉淀强化 时效强化和形变强化 等方式来实现 12 13 加入合金元素一般都能起到一 定的强化作用 这是由于加入的合金元素与基体元 素原子尺寸及电子结构不同 产生溶质原子的长程内 应力场和位错与溶质相遇时的短程作用力 从而产生 强化效果 14 本试验研究的 4j36 合金是一种合金 化程度较为简单的因瓦合金 合金的强化是通过 c si mn 在单一面心立方结构的奥氏体中固溶而实现 的 因此 c si mn 含量的增加均会促进合金强度的 提高 表现为随 c si mn 增加 合金强度显著 增加 然而 对于低膨胀合金 加入元素在提高合金 强度的同时 也会使合金的膨胀系数有较为明显的增 大 因此 为了控制合金的膨胀系数 应将元素的添 加控制在合理的范围内 增加 c si mn 引起 33 材料热处理学报第 35 卷 图 4 c si mn 对 4j36 合金物理性能的影响 fig 4effect of c si mn on physical properties of 4j36 alloy a average coefficient of thermal expansion b modulus of elasticity 合金硬度增大主要是由于 c 含量增加引起的 这是 由于 c 原子阻碍位错的摩擦力发生增大时晶格发生 变异引起的 在冶炼中加入 c 可以阻碍横向滑移 引起合金本身性能的硬化 15 由以上分析可知 三炉次 4j36 合金中 c si mn 最高的 no 3 合金不仅能满足线膨胀系数的 指标要求 而且具有最高的弹性模量和良好的综合力 学性能 因此认为对于此特殊行业用 4j36 合金 为 满足线膨胀系数指标要求 需将 c si mn 控制 在 0 65 以下 在这一前提下 通过增加 c si mn 含量得到较高的 c si mn 可以为合金获得更 好的综合使用性能 2 3热处理对合金力学性能的影响 图 6 为未经退火处理和经不同退火温度处理后 的 no 3 4j36 合金的显微组织 从图中可以看出 退 火处理后合金晶粒较锻态时明显变粗 但仍为单一的 奥氏体且为等轴晶 经不同温度退火处理后 奥氏体 晶粒出现了不同程度的粗化 并伴有少量退火孪晶 组织均匀性也得到了改善 出现退火孪晶是由于奥 氏体 相的层错能较低 新晶粒界面在推进过程中由 于某些原因而出现堆垛层错造成的 即在一个晶粒内 形成横跨晶粒的许多带 从图 6 b 可以看出 合 图 5 c si mn 对 4j36 合金力学性能的影响 a 强度 b 塑性 c 硬度 fig 5effect of c si mn on mechanical properties of 4j36 alloy a strength b ductility c hardness 图 6no 3 4j36 在锻态及经不同退火温度处理后的显微组织 a 锻态 b 820 c 1000 fig 6microstructure of no 3 4j36 alloy in forged state and annealed at different temperatures a forged state b 820 c 1000 43 第 12 期石照夏等 成分与热处理对 4j36 合金力学和物理性能的影响 金经 820 保温 1 h 后 已开始发生再结晶 新晶粒 开始相互靠拢在一起 退火温度为 880 时 再结晶 过程已基本完成 新晶粒已完全相互靠拢在一起 即 形变引起的存储能基本上已完全释放 随着退火温 度的升高 晶粒尺寸逐渐增加 说明奥氏体晶粒发生 了再结晶长大 图 6 c 中 当退火温度升高至 1000 时 晶粒明显粗化 这一变化是因为退火后 的晶粒大小主要取决于退火温度 即在相同的形变量 下 退火温度越高 晶粒越大 图7 为退火温度对 no 3 4j36 合金室温力学性能 的影响 从图 7 a 看出 经退火处理后 合金的抗拉 强度和显微硬度明显降低 发生了明显的退火软化 从图7 b 可以看出 经退火处理后 合金的伸长率显 著升高 但随着退火温度的进一步升高 伸长率反而降 低 这主要是由于合金原始态为终锻温度较低的锻后 变形态 在锻造过程中 位错的运动产生形变 合金晶 粒的形状发生变化 晶粒内部位错密度增大 位错周围 存在应力场 因此 当运动中的位错彼此相遇 就会发 生位错的交截 位错运动的阻力就会急剧增加 导致锻 态合金具有极高的强度和硬度以及较低的伸长率 而 合金在820 880 进行退火处理 实际上发生了明显 的回复和再结晶过程 这一过程会使晶粒内部位错减 少 从而发生了一定程度的再结晶软化 导致硬度大幅 度降低 随着退火温度的进一步升高 合金晶粒显著 长大 且随退火温度的升高 合金的晶粒越来越大 导 致抗拉强度逐渐下降 退火温度在 820 880 温度 范围内 合金发生再结晶过程 组织均匀性得到了很大 改善 因而塑性明显提高 但当退火温度继续升高后 晶粒发生明显粗化 反而会降低塑性 由以上分析可知 退火温度的选择会直接影响4j36 合金的显微组织 抗拉强度 硬度和伸长率等特性 分 图 7退火温度对 no 3 4j36 合金室温力学性能的影响 a 强度和硬度 b 伸长率 fig 7influence of annealing temperature on mechanical properties of no 3 4j36 alloy a strength and hardness b elongation 析结果表明 对4j36 合金在820 880 范围内保温1 h 进行退火软化处理后 合金的力学性能优于其他退火温 度处理后的合金 最有利于获得良好的综合力学性能 2 44j36 合金断口形貌分析 图 8 为通过扫描电镜观察到的 no 3 4j36 合金 的显微断口形貌 从图 8 a 可以看出 锻态试样拉 伸断口韧窝较小且深度较浅 如图 8 b 和 8 c 所 示 合金经退火处理后的断口微观形貌呈现出许多较 大且较深的韧窝结构 部分沿深度方向呈锥状 通过 对比可以看出 退火处理后断口较锻态时韧窝的数量 明显增多 深度明显增加 但随着退火温度的升高 韧窝的数量和深度变化不再明显 合金的拉伸断口 韧窝深度越深 通常意味着塑性变形能力越强 反之 图 8no 3 4j36 在锻态及经不同退火温度处理后拉伸试样断口形貌 a 锻态 b 820 c 1000 fig 8fracture morphology of no 3 4j36 alloy in forged state and annealed at different temperatures a forged state b 820 c 1000 53 材料热处理学报第 35 卷 韧窝深度越浅 则塑性变形能力越弱 表明 4j36 合 金经退火处理后塑性可以得到明显的改善 但退火温 度的升高对塑性的升高无显著影响 总体而言 在 820 880 温度范围内进行退火处理即可明显改善 合金的塑性 通过以上分析可知 成分的变化及热处理时退火 温度的选择均会影响 4j36 合金的线膨胀系数 弹性 模量 强度 硬度及塑性等性能的变化 而这些性能的 变化又会直接影响到后续由合金制成的工业产品的 质量 合金中 c si mn 元素添加量过低时 容易导 致合金弹性模量等性能无法满足使用要求 但此类元 素含量过高时 易引起线膨胀系数的增加 同样不满 足技术指标要求 此外 热处理过程中 退火温度过 高不仅会引起合金强度和硬度的降低 还不利于塑性 的提高 因此 为满足工况环境用 4j36 合金的性能 指标要求 需要进行合理的成分设计 在此基础上 应 选择合适的退火处理温度来获得良好的综合性能 3结论 1 4j36 合金中添加 c si mn 总量的增加可使 合金的弹性模量 强度和硬度增加 但会使线膨胀系 数 20 100 显著增大 因此通过增加 c si mn 含量来获得高弹性模量 高强度和硬度的同时 为满 足线膨胀系数的指标要求 应将合金中 c si mn 控制在 0 65 以下 2 4j36 合金锻态及退火处理后的组织均为单一 的等轴晶奥氏体 退火处理后的组织均匀性得到改 善 随退火温度升高 奥氏体晶粒逐渐长大并发生了 明显粗化 合金拉伸断口呈现典型的韧性断裂形貌 3 随着退火温度的升高 试验合金的抗拉强度 和硬度明显下降 伸长率先显著上升后略有降低 合 金在 820 880 范围进行退火时经历了回复及完全 再结晶 组织均匀性的明显改善 伸长率显著提高 通 过对比分析可知 4j36 合金在 820 850 范围内进 行退火处理 具有最佳的综合力学性能 参考文献 1 陆建生 沈黎明 fe 36ni 因瓦合金研究进展 c 第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集 2004 2 王超 袁守谦 姚成功 等 mo 合金化对 4j36 综合性能的影响 j 热加工工艺 2012 41 24 5 6 wang chao yuan shou qian yao cheng gong et al effects of mo alloying on comprehensive properties of 4j36 j 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