14CrODS铁素体钢的制备及其拉伸性能.pdf

　４２　　　材料工程／２０１２年４期　　　　　１４ＣｒＯＤＳ铁素体钢的制备及其拉伸性能　　　　　　　　　ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＴｅｎｓｉｌｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ１４ＣｒＯＤＳＦｅｒｒｉｔｉｃＳｔｅｅｌ廖　　　璐，周张健，李　明　　　　　　　　　　　（北京科技大学材料科学与工程学院，北京１０００８３）　　　—　　ＩＩＡＯＬｕ，ＺＨＯＵＺｈａｎｇｊｉａｎ，ＬＩＭｉｎｇ　　　　　　　　　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ　　　　　ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　摘要：通过机械合金化制备了成分（质量分数／）为Ｆｅ一１４Ｃｒ０．５Ｔｉ一０．３５ＹＯ。的氧化物弥散强化合金粉末，机械合金化　　　　　　　　　后粉末内部各合金元素ｒ均匀。采用热等静压的方法制得１４ＣｒＯＤＳ铁素体钢，并对其进行锻造和热处理。与未添加　　　　　　　　　　　　　　　　　氧化物弥散颗粒的１４ＣｒＮＡ相比，１４ＣｒＯＤＳ钢的强度有明显提高，但是与ＭＡ９５７有一定差距，抗拉强度有待改进；与　　　　　　　　　　　　　　　ＭＡ９５７相比，１４ＣｒＯＤＳ表现出良好的塑性，锻造可进一步提高１４ＣｒＯＤＳ的高温塑性，但是锻造过程中的残余应力使材　　　　　　　　　料低温拉伸时呈脆性，退火可去除残余应力，极大地提高１４ＣｒＯＤＳ的塑性，使其远优于ＭＡ９５７。　　　　　　　关键词：氧化物弥散强化；机械合金化；热等静压；拉伸性能　　　　　　　中图分类号：ＴＧ１１５．５２　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　——　　文章编号：１００１４３８ｌ（２０１２）０４００４２０５　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＯＤＳｆｅｒｒｉｔｉｃｓｔｅｅ１ｐｏｗｄｅｒｗｉｔｈｔｈｅｃｈｅｍｉｃａ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／７０）ｏｆＦｅ一１４Ｃｒ一　　　　　　　　　　　　　—　０．５Ｔｉ一０．３５Ｙ２０３ｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙａｌｌｏｙｉｎｇ（ＭＡ），ａｎｄｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗａｓｈｏ　　　　　　　　　　　　　　　　ｍｏｇｅｎｏｕｓ．ＴｈｅＭＡｐｏｗｄｅｒｗａｓｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄｂｙｈｏｔｉｓｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｉｎｇ（ＨＩＰ），ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｆｏｒｇｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　ａｎｄａｎｎｅａｌｉｎｇ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏ１４ＣｒＮＡｓｔｅｅｌｗｉｔｈｏｕｔＯＤＳｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ１４ＣｒＯＤＳ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｔｅｅｌｗａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，ｂｕｔｎｏｔＳＯｇｏｏｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＭＡ９５７，ｔｈｕｓｎｅｅｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆ　　　　　　　　　　　　　　　　　—　１４ＣｒＯＤＳｗａｓｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎＭＡ９５７，ａｎｄｃｏｕｌｄｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｆｕｒｔｈｅｒｂｙｆｏｒｇｉｎｇ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｒｅｓｉｄｕ　　　　　　　　　　　　　　　ａｌｓｔｒｅｓｓｅｘｉｓｔｅｄｄｕｒｉｎｇｆｏｒｇｉｎｇ，ｍａｋｉｎｇｔｈｅ１４ＣｒＯＤＳｓｔｅｅｌｂｒｉｔｔｌｅｉｎｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｓ．　　　　　　　　　　　　　　　Ａｎｎｅａｌｉｎｇｃｏｕｌｄｒｅｍｏｖｅｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆ１４Ｃｒ（）ＤＳ，ｗｈｉｃｈ　　　　　　　　　ｗａｓｍｏｒｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｔｈａｎＭＡ９５７．　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｘｉｄｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ（ＯＤＳ）；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏｙｉｎｇ；ｈｏｔｉｓｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｉｎｇ；ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙ　　　　　　　　　　　　　　　铁素体钢通常是指Ｃｒ含量在１２～３００　　　Ａ（质量　　　　分数，下同）范围内的一类不锈钢，它们在任何温度下　　　基本都是铁素体结构口］。对于金属来说，产生不可恢　　　　　　　　　　　　　　　复的塑性变形主要靠的是位错滑移，因此凡是能使位　　　　　　　　　　　错运动受阻的方法都能提高其强度。氧化物弥散强化　　　　　（ＯｘｉｄｅＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＳｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ，ＯＤＳ）铁素体钢一般　　　　　　　通过机械合金化（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｌｌｏｙｉｎｇ，ＭＡ）技术使合　　　　　　　　　　　　　　　　　　金基体中弥散分布高稳定性的纳米Ｙ（）。颗粒而获　　　　　　　　　　　　　　　　　得。纳米级的Ｙ：ｏ。颗粒不仅可以阻碍位错的运动，　　而且可以通过限制阳离子的扩散来阻止合金表面氧化　　　　　　　　　　　　　　　　层的增长，提高合金表面氧化层与基体的结合力。因　　　　　　　　　　　　　　　　此，ＯＤＳ化除了提高合金的高温强度外，还可以进一　　　　　　　　　　步改善合金的抗氧化、耐腐蚀能力ｌ２～］。　　　　　与传统的铁素体／马氏体钢相比，ＯＤＳ铁素体钢　　　　　　　　　　　　　　　具备两个重要性能：（ａ）具有高辐照稳定性、高抗肿胀　　　　　　　　　　　　　　　　　　性及抗辐照蠕变性；（ｂ）由于纳米氧化物颗粒的均匀　　　　　　　分布，表现出优异的高温强度¨　　　　　４州。因此，ＯＤＳ铁素体　　　　　　　　　　　　　　钢具有更高的温度适用范围，适用于更为苛刻的服役　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　环境，其应用范围也在逐年扩大，包括先进航空发动　　机、燃气轮机的耐高温抗氧化部件，核反应堆包壳管，冶　　　　　　　　　　金、汽车、石化、玻璃等行业的耐高温抗腐蚀材料］。　　　　　　　　含量高于ｌ３时可有效提高ＯＤＳ钢的抗氧化和耐腐蚀　　　　　　　　能力，但是Ｃｒ含量过高又会引起热老化脆化的问题，因　　　　　　　　此，（）ＤＳ钢中Ｃｒ含量的添加有一定限度］。　　　　　　　　　　　　　本工作采用ＭＡ及热等静压的方法，结合后续变　　　　　　　　　　　　　　　　形加工和热处理制备了Ｃｒ含量为１４的ＯＤＳ铁索　　　体钢，并对其拉伸性能进行研究。　　　ｌ实验方法　以真空感应熔炼和氮气雾化方法制备的预合金粉　　　—　　（ＮｉｔｒｏｇｅｎＧａｓＡｔｏｍｉｚｅｄＰｒｅａｌｌｏｙｅｄＰｏｗｄｅｒ，ＮＡ）为　　　　　　　　　　　　　　原料，采用高能球磨，将雾化粉（￣７４ｆｆｍ）与纳米ＹＯ。　　（ＳＦ均粒度为３０ｎｍ）进行机械合金化混合处理。机械　４４　　　材料工程／２Ｏ１２年４期　　　　　　　　　　　　　　　　　ｗ，Ｔｉ，Ｙ各合金元素在粉体内分布均匀，未发生明显　　　　偏聚现象。　　　　　　　　　　　　　　　　　高能球磨过程中，大量的碰撞现象发生在球一粉　　　　　　　　　　　　　末一球之间，被捕获的粉末在碰撞作用下发生严重的塑　“”　性变形，使粉末受到两个碰撞球的微型锻造作用，强　　　　　　　　　　　　　　　　制反复进行粉末的冷焊一断裂一冷焊过程，实现机械　　　　　　　　　　　　　　　合金化。结合图１和图２可知，采用雾化粉为原料　　　　球磨３０ｈ后，已经达到机械合金化的效果。　　　２．１＿２粉体氧含量　　　　　粉末中的过量氧含量（即不包括ＹＯ。结合的氧）　　　　　　　　　　　　　　　　是评价机械合金化效果的一个重要依据，如果球磨中　　　　　　　　　　　　　　　引入了过多的氧，所形成的氧的夹杂物对后续的致密　　　　　　　　　　　化和力学性能都将产生不利的影响＿８］。对球磨前后的　　　　　　　　　　　　　　粉末氧含量进行了测定，原始雾化粉ＮＡ中氧含量为　　　　　　　　　　　　　０．０４７，球磨后ＯＤＳ粉中氧的总含量为０．３１（含　　　　　　　　　　　　　　　　　ＹＯ。）。通过计算可知，球磨过程中纯引入氧含量为　　　　　　　　　　　０．１８９，因此，需对粉体采取一定的保护措施，降低球　　　　　　磨过程中引入的氧含量。　　　　２．２拉伸实验　　　　２．２．１拉伸性能分析　　　　　　　　　热等静压后的１４ＣｒＮＡ及１４ＣｒＯＤＳ的规定非比　　　例延伸强度及抗拉强度如图３所示，断后伸长率如图　　　　　　　　　　　　４所示。为进行比较，给出了商用钢ＭＡ９５７的拉伸　　　数据。　商　莹　营　尝　尝　碧　罟　要　５　　　　　　　　　　图３１４Ｃｒ钢的拉伸强度比较（ａ）０．２规定非比例延伸强度；（ｂ）抗拉强度　　　　　　图４１４Ｃｒ钢的断后伸长率比较　　　　　　　　Ｆｉｇ．４Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｎ１４Ｃｒｓｔｅｅｌｓ　　　　由图３可以看出，随着温度升高，两种材料的非比　　　　　℃　　例延伸强度和抗拉强度都呈下降趋势，在４００下，　　　　　　　　　　　　　　ＮＡ样品的规定非比例延伸强度和抗拉强度与室温下　　　　　　　℃　　　　　　　　　　基本保持一致，超过４００后强度急剧下降，而ＯＤＳ　　　样品整体下降相对较为稳定，没有出现骤降趋势。在　　　整个温度测试范围内，ＯＤＳ样品的强度明显高于ＮＡ　　℃　　样品，在７００时，无论是非比例延伸强度还是抗拉强　　　　　　　　度，ＯＤＳ样品均比ＮＡ样品高出约一倍，说明纳米氧　　　　　　　　　　　化物颗粒确实可以起到弥散强化的作用，使ＯＤＳ钢具　　　　　有优异的高温强度。℃　　　　　　　　７００拉伸实验时，商用钢ＭＡ９５７（Ｆｅ一１４Ｃｒ一１Ｔｉ　　　　　　　　０．２５ＹｚＯ。）的规定非比例延伸强度为４０２．７ＭＰａ，抗拉　　　　　　　　　　　　　　　　强度为４２３．４ＭＰａ。与未添加氧化物弥散颗粒的　　　１４ＣｒＮＡ相比，本实验制备的１４ＣｒＯＤＳ钢，强度有明显　　　　　　　　　提高，但是与ＭＡ９５７有一定差距，抗拉强度有待改进。　　　　　　　　　　　　　　　　从图４中看出，ＮＡ样品的断后伸长率随实验温　　　　　　　　　　　　　　度升高增加，且高温拉伸时增长迅速；ＯＤＳ样品的断　　后伸长率随实验温度升高先略微下降，而后增加，趋势　　　　　　较为缓慢，分析得出，ＯＤＳ样品室温下塑性优于ＮＡ　　　　　　　　　　　　　　样品，但高温塑性不甚理想。由于ＮＡ室温下的断后　　　　　　　　　　　　　　　伸长率小于５，表现为脆性断裂，所以在室温拉伸实　　　　　　　　　　　　验时，ＮＡ的非比例延伸强度明显低于ＯＤＳ，在数值上　　　　　　大约只有ＯＤＳ的一半。　　　　　　　　与ＭＡ９５７相比，１４ＣｒＯＤＳ表现出良好的塑性。℃　　　　　　　　　５００之前，１４ＣｒＯＤＳ钢的断后伸长率与ＭＡ９５７基本　　　　　持平，而７ｏｏ￣Ｃ高温拉伸时，断后伸长率达１９．５９／６，明　　　显优于ＭＡ９５７。　　　　　　　　　　　虽然１４ＣｒＮＡ的塑性优于ＭＡ，但是与１４ＣｒＮＡ　　　　　　　　　　相比，高温塑性不甚理想。为进一步提高１４ＣｒＯＤＳ的　　　　塑性，对其进行锻造，将锻造后的１４ＣｒＯＤＳ做室温及　　　　　　　　　ＯＯＯＯＯＯＯＯＯ　　∞　　∞　　∞　∞　　锄加踟加∞　∞　∞　∞　∞　∞　∞　∞　∞　　０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６４２Ｏ８６４２　　　　　　　　　Ｂｄ毫、ｌＩ２ｌｓ０Ｊｄｏ／００