魯家瑞,朱鵬程,沈寅忠
(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200240)
摘 要:在應(yīng)變速率為5×10-5~2×10-4s-1范圍內(nèi)以及不同溫度(25~700 ℃)下對標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)11Cr3W3Co鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn),分析了不同溫度下出現(xiàn)的鋸齒流變行為.結(jié)果表明:在285~325 ℃區(qū)間出現(xiàn)了正常 PLC效應(yīng),鋸齒形成激活能約為124kJ??mol-1,鋸齒流變主要由固溶的置換原子鉻與運(yùn)動位錯(cuò)之間相互作用引起;在325~365 ℃區(qū)間出現(xiàn)了異常 PLC效應(yīng),這一方面是因?yàn)殡S著拉伸溫度升高,溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng),以至于原子氣團(tuán)不能穩(wěn)定存在,導(dǎo)致動態(tài)應(yīng)變時(shí)效作用減弱,另一方面是因?yàn)殡S溫度升高,析出相開始成為溶質(zhì)原子的湮沒源,使得鋸齒消失;在高溫下,強(qiáng)度的急劇降低和塑性的急劇升高說明動態(tài)回復(fù)在塑性變形過程中起到主要的作用.
關(guān)鍵詞:11Cr3W3Co鋼;PLC效應(yīng);動態(tài)應(yīng)變時(shí)效;鋸齒流變;動態(tài)回復(fù)
中圖分類號:TG142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000G3738(2017)03G0013G06
0 引 言
9%~12%Cr鐵素體/馬氏體(F/M)鋼具有良好的耐蝕性、高的蠕變強(qiáng)度以及低的熱膨脹系數(shù),被認(rèn)為是電廠蒸汽發(fā)生器等關(guān)鍵部件的理想候選材料之一[1-4].高鉻F/M 鋼是未來第四代反應(yīng)堆燃料包殼和堆芯結(jié)構(gòu)候選材料之一[5],已經(jīng)應(yīng)用于高溫高壓的極端工況下.但高鉻 F/M 鋼的力學(xué)性能,如強(qiáng)度和塑性,會受到 PLC(PortevinandLeChatelier)效應(yīng)的影響.所謂PLC效應(yīng)是指在一定的溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi),一些金屬或合金在塑性變形過程中會出現(xiàn)應(yīng)力不穩(wěn)定的現(xiàn)象,其拉伸曲線不再平滑,而是表現(xiàn)出某種形式的鋸齒波.一般認(rèn)為體心立方結(jié)構(gòu)金屬的PLC效應(yīng)是由動態(tài)應(yīng)變時(shí)效(DSA)引起的[6-17].動態(tài)應(yīng)變時(shí)效被認(rèn)為是在塑性變形過程中擴(kuò)散的溶質(zhì)原子與運(yùn)動位錯(cuò)之間的相互作用.SAVE12鋼是日本開發(fā)并期望能在650 ℃高溫下使用的火電工況耐熱鋼[6],11Cr3W3Co鋼是一種參考 SAVE12鋼化學(xué)成分開發(fā)的高鉻 F/M 鋼,目前關(guān)于該鋼鋸齒流變現(xiàn)象的報(bào)道不多,且解釋機(jī)理尚不全面.由于該鋼的使用溫度范圍位于材料的動態(tài)應(yīng)變時(shí)效敏感溫區(qū),所以作者在不同溫度范圍下對該鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn),研究了拉伸曲線上的鋸齒現(xiàn)象,并給出了相關(guān)機(jī)理,這對于深入了解其力學(xué)行為有重要意義.
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
1.1 試樣制備
試驗(yàn)用11Cr3W3Co鋼和SAVE12鋼的化學(xué)成分 如 表 1 所 示. 試 驗(yàn) 原 材 料 為 實(shí) 驗(yàn) 室 自 制 的11Cr3W3Co鋼錠,將其在1180 ℃下保溫3h使之均勻化,然后空冷至室溫;之后在940~1050 ℃下將鋼錠軋制成30mm 的厚板;軋制后進(jìn)行如下熱處理:1050℃保溫0.5h(回火),空冷;780℃保溫1.5h,空冷(正火).
1.2 試驗(yàn)方法
拉伸試驗(yàn)在SHIMADZUAG100KNGA型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸試樣的標(biāo)距尺寸為10mm×4mm(試樣厚2mm,拉伸應(yīng)變速率分別為5×10-5,10-4,2×10-4 s-1,拉 伸 溫 度 分 別 為 25,100,200,275,285,300,325,350,365,400,500,600,700 ℃.
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 不同拉伸溫度以及應(yīng)變速率下的力學(xué)性能
根據(jù)圖1和圖2,可以將拉伸溫度分為三個(gè)溫度范圍.第一個(gè)溫度范圍為27~200 ℃,在該溫度區(qū)間,試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸減小,伸長率的變化不大,該溫度范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)鋸齒流變現(xiàn)象.第二個(gè)溫度范圍為250~400℃,在該溫度區(qū)間出現(xiàn)了強(qiáng)度平臺,塑性出現(xiàn)最小值,加工硬化指數(shù)出現(xiàn)極大值,應(yīng)力G應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了鋸齒流變現(xiàn)象,這表明在該溫度范圍內(nèi)發(fā)生了動態(tài)應(yīng)變時(shí)效.
此外,在285~325 ℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了正常 PLC效應(yīng),而在325~365 ℃溫度范圍出現(xiàn)了異常 PLC效應(yīng),出現(xiàn)的鋸齒類型皆為 A+B 型.第三個(gè)溫度范圍為500~700℃,隨著溫度升高,強(qiáng)度快速降低,伸長率急劇增大,應(yīng)力G應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了鋸齒流變現(xiàn)象,而且鋸齒都是 E 型波,鋸齒開始出現(xiàn)的位置點(diǎn)在拉應(yīng) 力 最 大 值 附 近,主 要 處 于 拉 伸 曲 線 的 下降段.
Mccormick[18]認(rèn)為,位錯(cuò)運(yùn)動是不連續(xù)的,位錯(cuò)運(yùn)動暫時(shí)被阻擋在障礙物之前,等待熱激活以克服障礙物并向下一個(gè)障礙物前進(jìn).他還推導(dǎo)出了臨界應(yīng)變的計(jì)算公式,見式(1).
式中:εc 為出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象的臨界應(yīng)變;K 為與材料成分相關(guān)的常數(shù);ε?? 為應(yīng)變速率;Qm 為有效激活能;R 為理想氣體常數(shù);m 為空位濃度;β為可移動位錯(cuò)密度;T 為熱力學(xué)溫度,K.將式(1)改寫為對數(shù)形式,見式(2).
在式(2)中,若溫度不變,則lnεcGlnε?? 關(guān)系為直線(如圖4所示),其斜率就是 m+β 的值.然后在式(2)中令ε?? 不變,利用ln(εm+βc /T)與1/T 的曲線關(guān)系(如圖5)可求出鋸齒形成的有效激活能Qm.根據(jù)以上計(jì)算鋸齒激活能的方法,可計(jì)算得到鋸齒形成激活能.計(jì)算結(jié)果為:m +β=4.64,ln(εm+βc /T)與1000/T關(guān) 系 曲 線 的 斜 率 為 14.91,Qm =124kJ??mol-1.在 300 ℃ 時(shí),Choudhary 等[11,13,17] 得 到 了9CrG1Mo鋼的鋸齒形 成 激 活 能 為 83kJ??mol-1 或86kJ??mol-1,P92 的 鋸 齒 形 成 激 活 能 為 94 kJ·mol-1,且確定是擴(kuò)散間隙碳原子與運(yùn)動位錯(cuò)相互作用的結(jié)果.Roy[12]通過計(jì)算得到了 P91鋼的鋸齒形成激活能為64~80kJ??mol-1,他也認(rèn)為是擴(kuò)散間 隙 碳 原 子 與 運(yùn) 動 位 錯(cuò) 相 互 作 用 的 結(jié) 果.
Verma[10]計(jì)算得到的 P91鋼的鋸齒形成激活能為58kJ??mol-1,他認(rèn)為這是氮與位錯(cuò)相互作用的結(jié)果.作者計(jì)算的結(jié)果明顯大于 Choudhary、Roy和Verma的計(jì)算結(jié)果,但卻與 Gupta[14]、Keller[15]等學(xué)者的計(jì)算結(jié)果相近,他們認(rèn)為在該溫度附近出現(xiàn)的鋸 齒 現(xiàn) 象 是 由 置 換 原 子 引 起 的.Gupta 得 出AISI403鋼在250~365 ℃范圍內(nèi)的鋸齒形成激活能為130kJ??mol-1,他認(rèn)為基體中的鉻是主要的置換合金元素,在熱處理后處于過飽和狀態(tài),所以鋸齒現(xiàn)象主要是由鉻引起的.Keller通過計(jì)算得出 T91鋼在300~400 ℃ 的 鋸 齒 形 成 激 活 能 為 100kJ·mol-1,他認(rèn)為鉻和鉬是主要的置換原子,但由于鉻易與碳形成 Cr23C6 析出相,所以他認(rèn)為鋸齒現(xiàn)象是由鉬元素引起的.一般認(rèn)為在m+β>2的情況下,DSA 是由置換原子與位錯(cuò)之間的相互作用引起的.在11Cr3W3Co 鋼 中,置 換 原 子 有 鉻、鎢、鈷、釩 和錳,它 們 在 基 體 中 的 擴(kuò) 散 激 活 能 依 次 為 250[19],287[20],256[19],240.1[19],234kJ??mol-1[20].Cuddy和Leslie[21]認(rèn)為在αGFe中,置換原子沿位錯(cuò)的管擴(kuò)散或應(yīng)力引發(fā)擴(kuò)散所需的激活能是體擴(kuò)散激活能的0.4~0.7倍.因此在作者研究中,試驗(yàn)鋼中的置換原子鉻、鎢、鈷、釩和錳都可能擴(kuò)散,然而鎢、鈷、釩和錳的含量都是極少的,在標(biāo)準(zhǔn)熱處理?xiàng)l件下它們有的還會形成部分析出相,因此在基體中固溶的量會很少.通過TEM 分析可知,對于標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)11Cr3W3Co鋼,馬氏體和δ鐵素體中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.68%和10.88%,基體中含有大量的固溶置換原子鉻,因此認(rèn)為300℃出現(xiàn)的正常PLC效應(yīng)主要是由固溶置換原子鉻與可動位錯(cuò)之間的相互作用引起的.
2.3 在325~365 ℃溫度范圍內(nèi)的異常PLC效應(yīng)在325~365℃溫度范圍內(nèi),11Cr3W3Co鋼出現(xiàn)了反常的PLC效應(yīng).所謂反常的PLC效應(yīng)就是隨著溫度升高,鋸齒的臨界應(yīng)變變大的異常情況.一般認(rèn)為鋸齒是由溶質(zhì)原子氣團(tuán)釘扎可動位錯(cuò)形成的,而要形成足夠大的溶質(zhì)原子氣團(tuán)釘扎位錯(cuò),就需要有一定的塑性變形,以形成一定量的空位,使得溶質(zhì)原子可以通過空位進(jìn)行擴(kuò)散,即需要一個(gè)臨界應(yīng)變εc.一般而言,溫度越高,溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力越強(qiáng),更容易實(shí)現(xiàn)對位錯(cuò)的釘扎,所以要求鋸齒形成臨界應(yīng)變εc 越小.但是,一些研究[21-24]表明,在有沉淀時(shí)效強(qiáng)化的合金中,εc 與溫度具有正相關(guān)系.從圖6中可以看出,在325~365℃溫度范圍內(nèi),隨著溫度升高,鋸齒應(yīng)力的最大下降幅度在降低,且鋸齒的數(shù)量也在不斷減少.這表明發(fā)生 DSA 的趨勢在慢慢減小.這里必須說明的是 DSA 并不是出現(xiàn)PLC效應(yīng)的充分條件,只有當(dāng) DSA 的強(qiáng)度達(dá)到一定時(shí),才可能出現(xiàn) PLC效應(yīng)[25].因此,在285~325 ℃溫度范圍內(nèi),溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng),DSA 作用增強(qiáng);但隨著溫度繼續(xù)升高至325~365℃范圍內(nèi),溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力太強(qiáng),以至于氣團(tuán)不能穩(wěn)定存在,DSA作用強(qiáng)度開始減弱.當(dāng)拉伸溫度為325,350,365℃時(shí),11Cr3W3Co鋼出現(xiàn)鋸齒的臨界應(yīng)變依次為0.1159,0.1269,0.135.根據(jù)Chaenock[26]的計(jì)算方法計(jì)算得到的鋸齒形成激活能為12kJ??mol-1.這個(gè)數(shù)值與其他學(xué)者所求的結(jié)果相差甚遠(yuǎn),這表明 DSA并不是該溫度范圍內(nèi)鋸齒發(fā)生的主要機(jī)制.
Samuel[16]將316不銹鋼在高溫下鋸齒的消失歸因 于 鉻 與 碳 原 子 之 間 反 應(yīng) 形 成 了 析 出 相.Choudhary[13]在9CrG1Mo鋼中發(fā)現(xiàn)時(shí)效時(shí)間的延長導(dǎo)致了鋸齒臨界應(yīng)變的增大和鋸齒應(yīng)力下降值的減小,這是因?yàn)闀r(shí)效時(shí)間的延長使得鉻等溶質(zhì)原子形成了析出相,以至于沒有足夠的溶質(zhì)原子釘扎位錯(cuò).Choudhary[17]還認(rèn)為,P92鋼在350 ℃左右出現(xiàn)的鋸齒的消失是由于形成了鉻G碳?xì)鈭F(tuán)以及由置換 原 子 鉻 的 擴(kuò) 散 引 起 了 析 出 相 的 生 成.
11Cr3W3Co鋼在400 ℃回火時(shí)的析出相并不是很多,因此其在325~365℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的異常鋸齒并不是由第二相或者第二相長大造成的.Hayes等[27-29]認(rèn)為溶質(zhì)原子釘扎可動位錯(cuò)發(fā)生 DSA,當(dāng)溶質(zhì)原 子 通 過 位 錯(cuò) 擴(kuò) 散 到 析 出 相 周 圍 的 湮 沒 源(Precipitatesinks)時(shí),就會導(dǎo)致基體中自由擴(kuò)散的溶質(zhì)原子含量減少,這樣就會使位錯(cuò)得不到釘扎,造成臨界應(yīng)變增大,形成異常 PLC 效應(yīng),甚至?xí)逛忼X消失.在 試 驗(yàn) 中,經(jīng) 標(biāo) 準(zhǔn) 熱 處 理 的 11Cr3W3Co鋼基體中存在大量的第二相,它們?yōu)槿苜|(zhì)原子提供了大量的湮沒源.在變形過程中,晶界處易發(fā)生位錯(cuò)塞積,產(chǎn)生應(yīng)力集中,此時(shí)空位或溶質(zhì)原子易在界面上發(fā)生聚集以利于釋放界面的高應(yīng)力.在285~325 ℃溫度范圍內(nèi)拉伸時(shí),固溶置換原子鉻只能釘扎位錯(cuò),不能進(jìn)行大范圍擴(kuò)散,此時(shí)固溶原子鉻還沒有足夠的能量擴(kuò)散到析出相的相界處.當(dāng)拉伸溫度達(dá)到臨界溫度325 ℃時(shí),固溶置換原子鉻就有足夠的能量越過勢壘,通過體擴(kuò)散或者管擴(kuò)散擴(kuò)散到析出相的湮沒源處,使得釘扎可動位錯(cuò)的溶質(zhì)原子減少,造成異常 PLC 效應(yīng),并使得鋸齒趨勢變小.因此認(rèn)為11Cr3W3Co鋼在325~365 ℃拉伸溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的反常 PLC效應(yīng),一方面是由于溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力太強(qiáng),以至于原子氣團(tuán)不能穩(wěn)定存在,導(dǎo)致DSA 作用減弱;另一方面是因?yàn)椋保盋r3W3Co鋼中存在大量的析出相,這些析出相成為了溶質(zhì)原子的湮沒源,使得釘扎可動位錯(cuò)的溶質(zhì)原子減少.
2.4 在500~700 ℃高溫下的鋸齒流變行為
在高溫下拉伸時(shí),11Cr3W3Co鋼的強(qiáng)度與彈性模量快速降低,塑性快速增大.這表明高溫下的鋸齒并不是由 DSA 引起的.Choudhary[17]認(rèn)為高溫下強(qiáng)度的迅速降低可能由以下三種原因引起:(1)拉伸過程中析 出 相 粗 化 引 起 的 軟 化(2)出 現(xiàn) 沿 晶 開 裂;(3)由于動態(tài)回復(fù)引起的位錯(cuò)等亞結(jié)構(gòu)的軟化.在作者的研究中,由于鎢等溶質(zhì)元素會增加析出相的穩(wěn)定
性,所以即便是高溫下的慢拉伸,短時(shí)間內(nèi)也不可能出現(xiàn)析出相的粗化.Choudhary等[17]發(fā)現(xiàn) P92鋼在600℃下的拉伸斷口上出現(xiàn)了韌窩,是韌性斷裂.而11Cr3W3Co鋼與 P92屬同類鋼,11Cr3W3Co鋼在高溫下的拉伸斷口也應(yīng)屬于韌性斷裂.
Girouxa[30]認(rèn)為 P92鋼在超過550 ℃時(shí)強(qiáng)度的急劇下降是由亞結(jié)構(gòu)增大而引的.Choudhary[17]認(rèn)為在500~600 ℃高溫下 P92鋼強(qiáng)度的迅速降低是由位錯(cuò)密度降低和亞晶長大引起的.在高溫下,位錯(cuò)的攀移和交滑移得以激活,這導(dǎo)致了動態(tài)回復(fù)的發(fā)生.因此,11Cr3W3Co鋼在高溫下強(qiáng)度的快速降低和伸長率的快速增大是由動態(tài)回復(fù)引起的.在高溫下拉伸時(shí),11Cr3W3Co鋼的應(yīng)力G應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了鋸齒現(xiàn)象,且只有一種 E 型鋸齒波,鋸齒開始出現(xiàn)在拉伸應(yīng)力最大值附近,主要處于拉伸曲線的下降段.在500~700 ℃下的鋸齒臨界應(yīng)變εc 依次為0.1055,0.0611,0.0686.鋸齒臨界應(yīng)變與溫度呈非線性關(guān)系,無法計(jì)算激活能,這也說明高溫鋸齒并不是由 DSA 造成的.對于鋸齒發(fā)生的條件,Rodriguez[31]建 立 了 數(shù) 學(xué) 模 型,并 進(jìn) 行 了 分析.他認(rèn)為,在拉伸速度恒定的拉伸試驗(yàn)中,總應(yīng)變ε與試樣的塑性應(yīng)變εp 和系統(tǒng)的彈性應(yīng)變εe 之間具有如式(3)所示的關(guān)系.
式(3)還可以轉(zhuǎn)化為式(4).
式中:σ 為 應(yīng) 力 (可 看 作 是 試 驗(yàn) 應(yīng) 力 );Es 為11Cr3W3Co鋼的彈性模量.總的應(yīng)變速率ε?? 是不變的,只要塑性應(yīng)變速率ε??p 突然增大,σ/Es 就會變小,而11Cr3W3Co鋼的彈性模量是恒定的,所以導(dǎo)致應(yīng)力σ會下降,從而產(chǎn)生軟化.ε??p 增大引起的軟化與加工硬化之間的相互作用產(chǎn)生鋸齒.所以由式(5)可以得知,只要ρm和 vG 中的一個(gè)變量突然增大,就會使ε??p 突然變大,就會產(chǎn)生鋸齒.DSA 也可歸結(jié)于溶質(zhì)原子的釘扎使得位錯(cuò)的ρm 或 vG 急劇變化.
式中:ρm 為可移動位錯(cuò)的密度;vG 為位錯(cuò)移動的速度;b 為柏氏矢量.因此,11Cr3W3Co鋼在高溫下拉伸時(shí)應(yīng)力G應(yīng)變曲線出現(xiàn)鋸齒的機(jī)理可能是:變形初期由于位錯(cuò)被位錯(cuò)林和細(xì)小的析出相阻礙,雖然位錯(cuò)密度連續(xù)升高,但由于大部分位錯(cuò)被阻礙,所以ρm 不高;在高溫條件下,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí),纏結(jié)位錯(cuò)就會在動態(tài)回復(fù)的作用下發(fā)生攀移或交滑移,可動位錯(cuò)瞬間增多,與此同時(shí)形成位錯(cuò)胞亞結(jié)構(gòu),短時(shí)間內(nèi)減弱了位錯(cuò)林對可動位錯(cuò)的阻礙作用,這樣ρm 就會瞬間增大,從而在應(yīng)力G應(yīng)變曲線上出現(xiàn)鋸齒.此機(jī)理有待于進(jìn)一步通過11Cr3W3Co鋼高溫拉伸試樣的透射電鏡分析加以證實(shí).
3 結(jié) 論
(1)在 應(yīng) 變 速 率 為 2×10-4 s-1 的 條 件 下,11Cr3W3Co鋼在285~365 ℃與500~700 ℃拉伸溫度范圍內(nèi)的應(yīng)力G應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了鋸齒流變;在285~325 ℃內(nèi)出現(xiàn)了正常的 PLC 效應(yīng),在 325~365 ℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了異常 PLC效應(yīng),出現(xiàn)的鋸齒類型皆為 A+B型;在500~700 ℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了 E型鋸齒波.
(2)在 285~325 ℃ 溫度范圍內(nèi),11Cr3W3Co鋼發(fā)生了 DSA,其中300 ℃時(shí)的鋸齒形成激活能為12kJ??mol-1,主要是由固溶置換原子鉻與可動位錯(cuò)相互作用產(chǎn)生的.
(3)11Cr3W3Co鋼在325~365 ℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)異常 PLC效應(yīng)的原因?yàn)?在此溫度范圍內(nèi),溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力太強(qiáng),以至于原子氣團(tuán)不能穩(wěn)定存在,導(dǎo)致了 DSA 作用減弱;11Cr3W3Co鋼中存在的大量析出相成為了溶質(zhì)原子的湮沒源,使得釘扎可動位錯(cuò)的溶質(zhì)原子減少.
(4)11Cr3W3Co 鋼 在 500~700 ℃ 高 溫 拉 伸時(shí),在應(yīng)力G應(yīng)變曲線上出現(xiàn)的鋸齒并不是 DSA 引起的,可能與動態(tài)回復(fù)有關(guān).
(文章來源:材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料>2017年>3期> pp.13)