奥氏体钢时效脆化研究

奥氏体钢时效脆化研究

j1体钢是两种材料之一的新型收敛核电站干预结构。该钢固溶处理后在超低温有很高的强度和韧度。但制造大型超导线圈结构需要厚度>200mm的超厚板材并需焊接加工。超厚板材固溶处理时冷却缓慢可能导致韧度降低,焊接的热影响也可能引起材料脆化。评价这些因素引起的材料性能变化需要有关时效组织与性能的基础数据,但迄今为止这类数据很少。本文研究了JN1钢时效时晶界碳化物的析出行为以及超低温下断裂韧度的变化,为评价上述因素引起的材料脆化倾向、弄清脆化机理提供基础数据。1疲劳裂纹试验试验材料为200mm厚的JN1锻造超厚板材,化学成分见表1。从超厚板材切取30mm厚的试样毛坯。固溶处理工艺为1348K加热1h后水冷。时效工艺为923、973及1073K加热5h后水冷。固溶态及时效态4K的力学性能见表2。断裂韧度试样为厚12.7mm(0.5TCT)及25.4mm(1TCT)\,带20%侧沟的紧凑拉伸试样,取样方向为T-L方向。预制疲劳裂纹的条件是:室温,应力比0.1,频率10Hz,应力场强度因子幅ΔK=30MPa·m1/2,初始裂纹长度a0与宽度W比a0/W=0.60。预制疲劳裂纹后加工侧沟。使用装有低温槽的Instron万能材料试验机,在液氦温度(4K)进行断裂韧度试验。试验时控制活动横梁的位移速度为0.1mm/min。用夹式引伸计测定加载线位移,裂纹长度用卸载柔度法测定。J积分值根据ASTME813-87标准计算。为进行比较,测定了液氮温度(77K)的断裂韧度。用扫描电镜(SEM)观察断口形貌以及时效析出物的分布,并用X射线衍射法对电解(电解液10%HCl-CH3OH,电压4V)萃取物进行物相鉴定。2试验结果及分析2.1时效对消费者的影响0.5TCT试样在4K的载荷—加载线位移曲线示于图1。初始线性阶段后出现多次小的载荷下降,然后出现大的载荷下降。这种载荷突降现象在4K的断裂韧度试验中经常出现。一般称前者为serration(锯齿),后者为pop-in(裂纹突进)。图1表明,serration及pop-in现象与材料热处理状态有关。固溶状态下serration多次出现。时效状态下serration数量减少,且pop-in引起的载荷下降幅度变大。1073K时效时,仅出现一个serration后就出现极大的载荷突降而导致断裂。显然,时效促进了pop-in的早期出现。在出现pop-in的情况下如何确定J-R曲线仍在争论中。多数研究使用了包括pop-in在内的数据,但也有研究指出pop-in引起的不连续裂纹扩展影响很大,它所对应的数据应除去。本文主要目的是研究时效对断裂性能的影响,因此使用了包括pop-in在内的数据,按ASTME813-87标准确定J-R曲线(图2)。由于没有观察到延伸区,因而确定钝化曲线时使用下列关系J=2Δa⋅σY(1)J=2Δa⋅σY(1)式中,Δa为裂纹扩展量,σY=(σ0.2+σb)/2为流变应力。根据ASTME813-87标准对J-Δa数据进行幂指数回归,以裂纹扩展量Δa=0.2mm对应的J值为裂纹开始扩展的断裂韧度值JIC,所得结果见图3。为进行比较,图中示出了77K的JIC值。在77K,固溶及923K时效状态的0.5TCT试样不满足JIC的有效条件,因而分别使用了Hwang等报告的数据及1TCT试样的测定值。1073K时效态无裂纹稳定扩展阶段,其JIC值根据下式由KIC值换算。JIC=KIC2(1−ν2)/E(2)JΙC=ΚΙC2(1-ν2)/E(2)式中,E为杨氏模量,ν为泊松比。由图3可见,固溶态试样4K的断裂韧度低于77K,但JIC值仍很高。时效处理后JIC值大幅度降低。为保证核聚变反应堆超导线圈结构的安全,须对超厚钢板固溶处理冷却不足以及焊接热影响等引起的韧度降低予以足够重视。2.2断口形貌特征关于JN1钢固溶态在4K的断口形貌,Hwang等认为是韧窝与滑移面分离的混合断口,小堀等则指出板厚中心为粗大韧窝,试样表面附近为细小韧窝,但滑移面分离及粗大韧窝的真实含义都不清楚。对于时效状态断口的报道更少。图4a)为固溶态试样在4K下的SEM断口照片,示出三种花样。A为延性韧窝花样。B断口上虽可看到塑性变形的痕迹,但却是一种与A不同的平坦花样。C是近乎平面的花样,其上有交角约60°的三组平行的变形组织。B、C花样均与奥氏体晶粒大小相当。作者曾在18Cr-18Mn-0.7N奥氏体不锈钢板4K及77K的断口中观察到穿晶、沿晶及退火孪晶界断裂三种断口。应当说明,18Cr-18Mn-0.7N钢与JN1钢在断裂过程中的塑性变形量差异很大,但从断口形貌特征看,图4a)中A、B、C所代表的断口可以分别判断为延性韧窝断口、沿晶断口及退火孪晶界断口。试样断面由沿晶断口、退火孪晶界断口以及包围它们的韧窝所覆盖。板厚中心平面应变区的沿晶断裂多于表面附近,说明沿晶断裂时塑性变形小于韧窝断裂。923K时效试样的断口上也可见上述花样,但脆性沿晶断裂及二次裂纹较多(图4b)。973K时效时,脆性沿晶断口占绝大部分(图4c)。1073K时效时,虽有少数穿晶断裂发生,但由于塑性变形很小,因而不是韧窝而似乎可以说是准解理断裂(图4d)。显然,时效脆化是脆性沿晶断裂造成的。2.3材料的加工工艺扫描电镜观察结果见图5。923K时效时已有许多细小析出物沿晶界析出。973K时效时,晶界析出物呈连续状,退火孪晶界也有析出。在1073K,晶界析出物粗大连续,退火孪晶界也形成较粗大的连续析出物。973K及1073K时效试样萃取物的X射线衍射花样示于图6。均为M23C6型碳化物。由此可以认为,JN1钢时效脆化是M23C6型碳化物沿晶界与退火孪晶界析出造成的。核聚变反应堆大型超导线圈结构在液氦温度(4K)下工作且受到强大电磁力的作用,其安全性与可靠性要求极高。除要求材料高强度、高韧度外,还要求有抵抗加工过程中热影响引起的性能蜕化的能力。JN1钢合金化程度很高,导热性能很差。从上述结果来看,超厚板材固溶处理冷却不足以及焊接热影响很容易引起碳化物沿晶界析出并导致韧度降低。解决这一问题须从材料成分与加工工艺两方面入手。应严格控制碳含量在低限以下,同时适当调整合金元素种类与含量。加工方面则要力求降低焊接等工艺过程的热影响。3时效过程中结晶