细化晶粒对mgh956合金板材低温脆性的影响

细化晶粒对mgh956合金板材低温脆性的影响

与具有体心结构（bcc）的铁素体材料和钢一样，采用机械反应法（ma）制备的氧化色散强化（ods）mgh956分量，在低温下具有从耐、耐、耐的趋势。然而,为追求优异的高温蠕变强度,在MGH956板材生产过程中,通常对其热、冷加工各环节的工艺参数实施有效的控制,随后采用超高温再结晶退火处理,使板材生成粗大的盘状晶组织,至今对于MGH956板材的相关研究和报道均是针对这种粗晶组织的板材。研究表明,这种粗晶板材在室温、甚至低于100℃的承载和变形条件下,有时会出现突然的过早脆性断裂,尽管这种现象并不具有普遍性,带有很强的随机性和偶然性,但它的存在将影响到板材随后室温成型等加工的稳定性,甚至使用过程的安全性。有文献认为细化晶粒可有效改善MGH956合金的低温脆性,但改善的效果如何,DBTT降低的程度,及相应高温持久强度能保持在什么水平,这样的问题至今未见报道。鉴于采用MGH956板材制成的零部件大多是在超高温、强腐蚀、低应力条件下服役的静止件,通常对高温强度的要求并不高,但对因过早脆性断裂而影响板材室温成型等加工性能的稳定性,及零部件使用过程的安全性的要求十分严格。因此,本文通过对比粗、细两种晶粒组织状态的MGH956板材,在光滑和缺口拉伸条件下的DBTT,及高温持久强度,研究了细化晶粒对改善MGH956板材低温脆性的作用,及高温持久强度的影响。1晶粒组织及分析采用MA加工出合金粉,热等静压(HIP)将合金粉固实化成合金锭,再经热锻成待轧板坯。采用交叉轧制(Crossrolling),并通过对热、冷轧制工艺有效的控制,轧成厚度为1.0mm,代号为A、B、C、D的4种板材,这四种板材经1325℃×1.0h再结晶退火后,形成粗(板材C和D)、细(板材A和B)具有明显不同的两种晶粒组织状态。MGH956合金名义成分为(质量分数,%):Fe-20Cr-5Al-0.5Ti-0.5Y2O3。采用光滑和缺口两种试样,在-100~100℃,卡具恒定移动速率为0.25mm/min的条件下进行拉伸,以断口韧性剪切断面占总面积分数的50%(或脆性解理断面占总面积分数的50%)所对应的温度定义为该板材的DBTT。光滑拉伸及持久试样的工作段尺寸均为25mm×5mm,缺口试样是在工作段正中开单边缺口,缺口根部半径为0.13mm,这种试样所产生的应力集中系数约为5。用JSM-6480LV型扫描电镜对所有断口全貌进行照相,再用LeicaMEF4A型图象分析仪对韧性(或脆性)断面所占比例的百分数进行定量计算。金相侵蚀剂为:10%HNO3+10%HF+80%H2O(体积分数,%)。2结果与分析2.1心部晶粒尺寸4种1.0mm厚板材(A、B、C、D)的再结晶组织形貌示于图1。由图1可以看到,板材A和B的组织形貌相似,板材表层晶粒非常细小,接近等轴状,直径为10~30μm,心部晶粒相对明显粗大,为盘状(片层状);板材A的盘状晶区约占板材厚度的1/3,最大晶粒直径不到0.5mm,板材B的盘状晶区约占板材厚度的2/3,最大晶粒直径约为1.0mm,板材B的平均晶粒尺寸稍大于板材A,但两种板材的平均晶粒尺寸均比较细小,晶粒厚度也很薄,最厚不到0.05mm。板材C和D的组织形貌相似,从板材表层到心部均为极其粗大的盘状晶,最大晶粒直径达几十毫米,晶粒厚度最厚的约为0.5mm。2.2细晶材料的影响图2显示出光滑拉伸条件下,板材A、B、C、D的DBTT曲线。从图2可以看到,两种具有极其粗大盘状晶组织的板材C和D的DBTT均在0℃附近;两种细晶板材中,晶粒稍粗的板材B的DBTT已大幅降到-75℃附近,而晶粒最细的板材A的DBTT更是远远低于-100℃。这样的结果表明:细化晶粒对改善MGH956板材低温脆性的作用十分显著,可有效地将其DBTT向低温推移。2.3改善mgh956面板的加工图3对比了板材A、B、C在缺口拉伸条件下的DBTT曲线。由图3可以看到,在有明显应力集中的缺口拉伸情况下,细化晶粒对改善MGH956板材低温脆性的作用依然十分显著,仍可有效地降低其DBTT。随晶粒尺寸由粗到细,板材C、B、A的DBTT分别为20、-15和-50℃。对比光滑(图2)与缺口(图3)拉伸的DBTT曲线还可看到,无论晶粒粗细,明显的应力集中均导致板材DBTT显著地提高,且对细晶板材的作用更明显。这样结果说明,应力集中对板材DBTT的影响至关重要。2.4各尺寸热值对断口形貌的影响综合图2和图3的结果得知,对于MGH956板材,在低温由于拉伸变形导致断裂,无论晶粒粗细,试样为光滑还是缺口,随实验温度降低,断裂均呈由完全韧性向部分或完全脆性转变的趋势,并且,只要实验温度足够低,且应力集中程度足够高,断口均可从完全韧性的剪切韧窝转变为完全脆性的穿晶解理,图4既显示出了细晶板材A缺口拉伸和粗晶板材C光滑拉伸的断口形貌随实验温度降低由完全韧性的剪切韧窝向完全脆性的穿晶解理的转变。因此可以认为这种韧脆转变行为是具有BCC结构MGH956合金本身的特性,很难从根本上消除。Davidson对MGH956板材韧脆转变行为研究后总结出影响其DBTT的主要因素,包括:晶粒尺寸、板材厚度、变形过程所承受应力和应变的状态及长期高温暴露表面形成的氧化膜等,实际上,这些因素均可归结为是通过改变变形过程局部的应力集中的状态,从而导致DBTT的变化。这一点在本实验中得到证实,对比光滑和缺口拉伸DBTT曲线得知,因缺口拉伸显著提高试样局部变形过程应力集中的程度,导致DBTT明显提高(对比图2和图3);此外,在对板材室温成型性检验时得知,粗晶板材C和D的反复弯曲断口呈完全韧性的剪切形貌,而杯突断口则呈完全脆性的解理形貌(对比图5a和5b),原因也是由于承受复杂应力的杯突比主要承受简单拉压应力的反复弯曲在试样局部变形过程中更易形成应力集中,且集中的程度更高。因此,应力集中是影响MGH956板材DBTT最重要的因素,那么降低MGH956板材DBTT的途径就是要尽可能缓解板材在受力和变形过程的应力集中。2.5晶粒对粗晶板式及高温点分布的影响细化晶粒可提高变形过程晶粒转动和移动的能力,从而有效缓解变形过程的应力集中,使DBTT明显降低。从影响MGH956合金DBTT的诸多因素中不难得知,细化晶粒是通过材料本身对MGH956合金低温脆性加以改善的重要途径。本实验结果表明,细化晶粒对于降低MGH956板材DBTT的作用非常显著,在光滑拉伸条件下(图2),粗晶板材C和D的DBTT为0℃,细晶板材B和A的DBTT则分别降至-75℃、-100℃以下;即便在应力集中程度极高的缺口拉伸条件下(图3),粗晶板材C的DBTT提高到20℃,尽管细晶板材的DBTT也显著提高,但仍在-15℃(板材B),甚至-50℃(板材A)的室温范围(通常指0~30℃)以下。在对板材室温杯突断口形貌的检验得知,粗晶板材断口呈完全脆性的穿晶解理特征,而细晶板材的则呈完全韧性的剪切韧窝特征(对比图5b和5c)。这样结果说明,细化晶粒的确可有效改善MGH956板材的低温脆性,可有效避免在室温突发脆性断裂的发生,大大提高板材成型等加工性能的稳定性,对使用过程的安全性也将起到有利的作用。2.6mgh956细晶铝板b图6为MGH956粗晶板材D和细晶板材B在1100℃及GH5188板材在1090℃的持久寿命曲线。由图6可以看到,细化晶粒的确导致MGH956板材的持久强度大幅度降低,粗晶板材D在1100℃、100h的持久强度为48MPa,而细晶板材B的只有约16MPa,仅为粗晶板材D的1/3,但鉴于MGH956板材大多是在超高温、强腐蚀、低应力条件下服役的静止件,对高温强度的要求不高,且与传统板材高温合金中高温持久强度最高的GH5188板材相比处于同一水平(图6),还略有优势,GH5188板材在1090℃、100h和1000h的持久强度分别为15MPa和8.3MPa,MGH956细晶板材B在1100℃、100h和1000h的持久强度分别为16MPa和大于10MPa(1000h仍未断),而MGH956合金的抗高温氧化