合金元素硅对低活化马氏体钢力学性能的影响

合金元素硅对低活化马氏体钢力学性能的影响

低激活铁素体钢（rafm钢）具有低热膨胀系数、高热导率、良好的力学性能和良好的抗辐射性能。它是国际热态平整岩浆岩（iter）和未来聚变堆的首选材料。目前,国际上已开发出几种RAFM钢,如日本的F82H和JLF-1,美国的9Cr-2WVTa,欧洲的EUROFER系列以及中国的CLAM(9Cr-1.5WVTa)。这几种RAFM钢的化学成分差别不大,主要差别在于钨含量(1%～2%)、钽含量(0.03%～0.1%)以及硅含量(0.01%～0.3%)。S.J.Zinkle比较了国际上几种低活化钢的化学成分差异,并对钢中钨和硅的含量差异进行了重点阐述。多年来,RAFM钢的成分优化一直是聚变堆结构材料研究组提高钢性能的主要方向之一。目前,已开展了主要合金元素对提高RAFM钢力学性能和抗辐照性能的作用研究。文献报道了铬对Cr-2WVTa钢组织和性能影响方面的研究结果,并通过一系列辐照试验,得出铬含量为8%～9%时钢的综合性能最好。钒的影响及钨的影响的研究工作也已见诸报道。R.L.Klueh对钽的影响研究结果显示,钢中添加0.07%Ta可细化晶粒,提高钢的强韧性,且钢的抗辐照脆性优良,辐照后的韧脆转变温度变化(ΔDBTT)更小。硅对低活化钢性能影响的研究,至今鲜有相关报道。本课题组曾利用超高压透射电子显微镜研究了0.46%Si对CLAM钢的辐照损伤行为的影响,结果表明,添加0.46%Si能显著提高CLAM钢的抗辐照肿胀能力。CLAM钢最初出现时的硅含量设计值很低(0.01%),因此,研究硅对CLAM钢力学性能和辐照性能的影响将有重要意义。本工作主要研究添加0.2%Si对CLAM钢辐照前力学性能的影响。1试验材料及方法在设计成分为Fe-9Cr-1.5W-0.2V-0.07Ta-0.45Mn-0.1C钢中,添加0.2%Si获得9Cr-1.5WVTaSi,与未添加Si的钢构成两组对比实验用钢。实验炼钢均采用高纯原材料,即99.80%Fe、99.90%Mn、99.999%Si、99.93%V、99.95%W和99.90%Ta,经真空感应炉熔炼得到5kg铸锭。其化学成分分析委托国家钢铁材料测试中心进行,结果列于表1,其中,所测得的9Cr-1.5WVTa中的硅为炼钢原料中带入。铸锭在1200℃下锻造成30mm×30mm方棒。将锻棒切割成小块进行热处理,工艺为980℃保温30min后水冷+760℃保温90min后空冷。从经过热处理后的方棒试样上沿纵向切取ϕ5mm、标距为5倍直径、平行长度为30mm的标准拉伸试样,按GB/T228—2002和GB/T4338—2006分别进行室温和高温拉伸实验。切取规格为55mm×10mm×10mm的夏比V型缺口的标准冲击试样,缺口垂直于钢材的锻造方向,按GB/T229—2007进行冲击实验,进而获得钢材的韧脆转变温度。用SEM观察两种实验用钢在不同温度下的拉伸和冲击试样的断口形貌,并判定其断裂类型。利用显微维氏硬度计测试材料的显微硬度,载荷为200g。利用光学显微镜观察金相组织,并依据ASTM-E112测量晶粒尺寸,评定晶粒度级别。2结果2.1晶粒尺寸测定利用光学显微镜观察钢淬火态的金相组织。结果显示,两种实验用钢均为100%板条马氏体组织,无δ铁素体存在。图1示出两种钢回火后金相组织的显微照片。从图1可见,两种钢均保持着马氏体板条位相的回火马氏体组织,添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi钢的马氏体板条宽度较窄,这在一定程度上对提高钢的综合力学性能有所助益。采用截点法,依据ASTM-E112测得9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi钢的原奥氏体晶粒尺寸,并评定晶粒度级别,结果列于表2。可见,两种钢的晶粒均不均匀,添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi钢的晶粒较细小。两种钢的原奥氏体晶粒的光学显微镜照片示于图2。硅作为合金元素,是非碳化物形成元素,少量的硅基本上存在于铁素体或奥氏体中,硅可提高钢的奥氏体相变开始温度(As)和再结晶温度,因此,添加0.2%Si能够抑制9Cr-1.5WVTaSi钢奥氏体晶粒的长大,起到细化奥氏体晶粒的作用。2.2试验和冲击功测试9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi钢的显微硬度分别为209和223(HV0.2)。结果显示,硅的添加使9Cr-1.5WVTa钢的硬度有所提高。图3为9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi钢在室温～700℃范围内的拉伸性能。从图3可看出,在9Cr-1.5WVTa钢中添加0.2%Si,其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率从室温到高温均有一定提高,其中,抗拉强度在500℃前平均提高30MPa,屈服强度平均提高20MPa。然而,随着温度的升高,500℃以后两种钢的强度差异逐渐缩小,到700℃时,抗拉强度和屈服强度已近于相等。两种钢在300～400℃间延伸率出现下降,这说明,9Cr-1.5WVTa钢在此温度区间内出现回火脆性。另外,用SEM观察拉伸试样的新鲜断口的结果显示,所有温度下的拉伸断口均为韧窝状断口。对两种钢进行落锤冲击实验(-80～60℃),钢的冲击韧性对实验温度变化较为敏感,由冲击功通过函数拟合得出冲击功-温度曲线(图4)。从图4可见,9Cr-1.5WVTaSi钢在各实验温度下的冲击功均明显较高,9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi钢的上平台冲击功分别为210J和174J。由能量法测得未添加和添加0.2%Si的CLAM钢的DBTT分别为-13℃和-30℃。这表明,添加0.2%Si降低了钢的DBTT,提高了钢的冲击韧性。用SEM观察两种钢试样不同温度下的冲击断口,低温下平台区间断口形貌为完全脆性准解理特征,而上平台附近则为完全韧窝状断口,在DBTT附近准解理和韧窝状断口则各占50%左右。3晶粒尺寸对试验材料的影响实验结果表明,添加0.2%Si对提高9Cr-1.5WVTa钢的力学性能有显著作用。在9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi钢中,除硅外,其它合金元素的设计成分均相同,测试成分也基本相同,且钢的制备方法、热处理工艺和力学性能的实验方法均相同。而金相组织实验结果则显示,9Cr-1.5WVTaSi钢的原奥氏体晶粒尺寸更加细小。这说明,硅含量的差异是导致两种钢的原奥氏体晶粒尺寸不同的主要原因。因此,添加0.2%Si使得9Cr-1.5WVTaSi钢的晶粒尺寸细化,提高了钢的力学性能。C.C.Anya等曾研究了硅对低碳钢晶粒尺寸及拉伸性能的影响,结果显示,硅通过影响原奥氏体晶粒尺寸来细化晶粒。B.Mintz对硅影响低碳钢的强度和冲击韧性的研究结果表明,当晶粒尺寸在7μm(d1/2=12mm-1/2)以上时,含0.29%Si的低碳钢比含0.02%Si的钢的强度高,含0.1%Si的钢比含0.03%Si的钢的韧脆转变温度低。材料的成分、工艺决定其微观组织,而微观组织决定了材料最终的力学性能。添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi钢具有更高的强度,这一点可从微观结构角度来解释。Hall和Petch最早独立得到了材料强度与晶粒尺寸间的关系式为:式中:d为晶粒尺寸;K为比例系数。从式(1)可知,晶粒越细小,材料的强度越高。9Cr-1.5WVTa和9Cr-1.5WVTaSi钢的原奥氏体晶粒尺寸分别为32μm和17μm,因此,晶粒较细小的9Cr-1.5WVTaSi钢的强度较好。然而,钢的细晶强化的效果在高温下则无优势。图3显示,温度升高至500℃后,两种钢的强度差别缩小,到700℃时,抗拉强度和屈服强度已近乎相等。这是因为高温下,晶界作为阻碍位错滑移的作用将弱化,因此,晶粒较细、晶界较多的9Cr-1.5WVTaSi钢在高温时将出现强度降低现象,这进一步说明硅是通过细化晶粒来使9Cr-1.5WVTa钢得以强化。添加0.2%Si提高了9Cr-1.5WVTa钢的冲击韧性,同样可从微观结构角度来解释。细晶强化是各种强化方式中唯一在强化的同时提高钢的韧性的强化方式。晶粒细化后,增加了可阻碍裂纹扩展的晶界的面积,减少了晶界前塞积的位错数目而降低了应力集中,同时也减轻了晶界上杂质元素的偏聚浓度,因而避免出现沿晶脆性断裂,从而提高了钢的韧性,降低韧脆转变温度。Petch首先研究了晶粒细化对钢铁材料韧脆转变温度Tc的影响,得到了以下关系式:式中:A、B为常数,且B恒为正值。由式(2)可看出,随晶粒尺寸的减小,韧脆转变温度将明显下降。9Cr-1.5WVTaSi钢的原奥氏体晶粒尺寸比9Cr-1.5WVTa钢明显细化,因此,9Cr-1.5WVTaSi钢的冲击韧性较好。综上所述,在CLAM钢中添加0.2%Si可细化晶粒,对提高钢的辐照前力学性能是有益的。4在钢中添加0.2%si1)添加0.2%Si的9Cr-1.5WVTaSi钢的拉伸性能比未添加Si的CLAM钢的拉伸性能更好些,其中,室温下抗拉强度及