遲 海１,２,郭 霞１,２,劉偉麗１,２,３,高 峽１,２,３,賀俊智１,２,秦海龍４,王 凱４,畢中南４
(１．北京市理化分析測試中心,北京 １０００９４;
２．有機材料檢測技術(shù)與質(zhì)量評價北京市重點實驗室,北京 １０００９４;
３．北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測試技術(shù)重點實驗室,北京 １０００８９;
４．鋼鐵研究總院高溫材料研究所,北京 １０００８１)
摘 要:對GH４１６９合金在５００,６２０,７２０℃下進行了應(yīng)力松弛、蠕變和熱膨脹試驗,結(jié)合顯微組織觀察研究了合金的應(yīng)力松弛行為.結(jié)果表明:在５００ ℃和６２０ ℃應(yīng)力松弛試驗過程中,GH４１６９合金的應(yīng)力隨時間的延長反常增大,在蠕變過程中表現(xiàn)為負蠕變應(yīng)變,而在７２０℃下合金的應(yīng)力松弛和蠕變行為均正常;在不同溫度熱膨脹試驗過程中,GH４１６９合金均出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象;γ″相析出使得γ基體的晶格常數(shù)減小,是導(dǎo)致 GH４１６９合金在６２０ ℃下應(yīng)力反常增大的主要原因.
關(guān)鍵詞:GH４１６９合金;時效;應(yīng)力松弛;蠕變
中圖分類號:TG１１５．５ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００６４Ｇ０５
０ 引 言
GH４１６９合金是一種體心立方 Ni３Nb(γ″相)和面心立方 Ni３(Al,Ti,Nb)(γ′相)沉淀析出強化的鎳基高溫合金,在高溫下的強度高、抗蠕變性能好,并具有良好的抗氧化、耐腐蝕性能,廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機的熱端部件[１].為了在合金中析出起主要強化作用的 γ″相和 γ′相,需要在固溶后進行快速冷卻;然而在快速冷卻過程中,合金內(nèi)將產(chǎn)生高達４００MPa的殘余應(yīng)力[２].殘余應(yīng)力會在后續(xù)７２０ ℃×８h＋６２０℃×８h雙級時效過程中得到松弛[３],其松弛機制常通過由時效溫度下的應(yīng)力松弛試驗得到的合金高溫特性來進行分析[４].然而,作者在進行 GH４１６９合金在時效溫度下的應(yīng)力松弛試驗時發(fā)現(xiàn)了一種反常應(yīng)力松弛現(xiàn)象,即應(yīng)力會高于初始應(yīng)力并隨時間延長逐漸增大.
應(yīng)力松弛的本質(zhì)是材料在松弛過程中存在蠕變行為,即彈性變形在溫度和外力作用下隨時間延長逐漸向塑性變形轉(zhuǎn)變,所以應(yīng)力松弛是蠕變的另一種表現(xiàn)[５],二者在機制上是統(tǒng)一的.因而,可以將應(yīng)力松弛與蠕變結(jié)合進行分析.目前,國內(nèi)外學(xué)者僅在高鉻鐵素體耐熱鋼[６]以及Inconel７８３[７]、Inconel１００[８]、Nimonic８０A[９]等高溫合金中發(fā)現(xiàn)了反常應(yīng)力松弛或負蠕變現(xiàn)象,大多認為該反常現(xiàn)象與第二相 析 出 有 關(guān). 然 而,目 前 還 沒 有 其 他 學(xué) 者 在GH４１６９合金中發(fā)現(xiàn)任何反常應(yīng)力松弛現(xiàn)象[１０Ｇ１１].因此,作者分別利用熱膨脹試驗和蠕變試驗測試了 GH４１６９合金在高溫下的變形量,觀察了不同溫度應(yīng)力松弛試驗后的顯微組織,分析了熱膨脹、蠕變與應(yīng)力松弛之間的關(guān)系,旨在探索 GH４１６９合金出現(xiàn)反常應(yīng)力松弛現(xiàn)象的宏觀規(guī)律和微觀機制,為分析該合金在時效過程中殘余應(yīng)力的演變規(guī)律和松弛機制提供依據(jù).
１ 試樣制備與試驗方法
試驗用 GH４１６９ 合金由鋼鐵研究總院高溫材料研究所提供,固溶態(tài),其主要化學(xué)成分見表１;該合金采用真空感應(yīng)熔煉＋電渣重熔＋真空自耗重熔工藝熔煉,鑄錠經(jīng)均勻化處理后,鍛造成直徑２２０mm的圓棒,再經(jīng)９８０ ℃固溶２h處理,空冷.在合金棒上機加工出尺寸如圖１所示的試樣, 分別按照 GB/T１０１２０－２０１３和 GB/T２０３９－２０１２
在 RDLＧ１００型高溫蠕變松弛試驗機上進行應(yīng)力松 弛試 驗 和 蠕 變 試 驗,試 驗 溫 度 分 別 為 ５００,６２０, ７２０ ℃.蠕變試驗保持３００ MPa應(yīng)力恒定不變,應(yīng) 力松弛試驗保持加載至３００ MPa時的應(yīng)變量恒定 不變.為了降低保溫期間相變對試驗結(jié)果的影響, 保溫時間定為１０ min.在合金棒和應(yīng)力松弛試驗 后試樣 的 平 行 段 上 取 樣,打 磨、拋 光 并 用 組 成 為 ５gCuCl２＋１００mL HCl＋１００ mLC２H５OH 的溶 液腐 蝕 后,使 用 JSMＧ７８００F 型 場 發(fā) 射 掃 描 電 鏡 (SEM)觀察顯微組織.在 FormastorＧD 型全自動 熱膨脹儀上進行熱膨脹試驗,試驗溫度與應(yīng)力松弛 和蠕變試驗的一致.
２ 試驗結(jié)果與討論
２．１ 顯微組織
由圖２可以看出,固溶態(tài) GH４１６９合金的顯微組織主要由平均粒徑約為３５μm 的面心立方 γ相和少量δ相、碳化物組成,無 γ″相和 γ′相等強化相析出.
在時效過程中,固溶態(tài) GH４１６９合金的組織通常會發(fā)生過飽和固溶體→γ＋γ″＋γ′→γ＋δ＋γ′的轉(zhuǎn)變[１２].γ″相在熱力學(xué)上為亞穩(wěn)相,在６５０ ℃以上溫度長期暴露會集聚粗化并轉(zhuǎn)變?yōu)棣南?δ相雖然在熱力學(xué)上屬于穩(wěn)定相,但在溫度低于９００ ℃時的析出很慢,因此在時效過程中 GH４１６９合金以析出γ″相和γ′相為主.由圖３可以看出:在６２０,７２０℃下應(yīng)力松弛后,GH４１６９合金組織中有圓盤狀 γ″相和球狀 γ′相析出,且較高應(yīng)力松弛溫度下 γ″相和 γ′相的尺寸較大、數(shù)量較多;在５００ ℃下應(yīng)力松弛后,組織中未發(fā)現(xiàn)強化相析出.
２．２ 應(yīng)力松弛、熱膨脹和蠕變行為
由圖４可以看出,在５００,６２０ ℃下應(yīng)力松弛過程中,GH４１６９合金的應(yīng)力均隨時間的延長反常增大,而在７２０ ℃下應(yīng)力則表現(xiàn)為正常的降低趨勢.
由圖５可以看出:在不同溫度下 GH４１６９合金均表現(xiàn)出收縮趨勢,而且溫度越高,應(yīng)變收縮量越大,在５００,６２０,７２０℃下保溫８h后合金的應(yīng)變收縮量分別達到了０．０２７６％,０．０５９４％,０．０７３４％.由此可知,在時效溫度下進行應(yīng)力松弛和蠕變試驗時,GH４１６９合金中還存在著非蠕變機制的收縮效應(yīng).
由圖６可以看出:經(jīng) ５００,６２０ ℃ 蠕變試驗后,GH４１６９合金出現(xiàn)了負蠕變應(yīng)變現(xiàn)象,而經(jīng)７２０ ℃蠕變試驗后的蠕變應(yīng)變正常,隨時間延長而增大,與應(yīng)力松弛試驗結(jié)果吻合;去除熱收縮效應(yīng)的影響后,不同溫度下合金的蠕變應(yīng)變均隨時間的延長而增大.
由此可見,GH４１６９合金負蠕變應(yīng)變和松弛時應(yīng)力升高的現(xiàn)象均源自其在高溫下的收縮.
２．３ 反常應(yīng)力松弛行為分析
在應(yīng)力松弛試驗中,彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?總應(yīng)變保持不變,滿足以下關(guān)系:
由于存在著與外應(yīng)力無關(guān)的熱膨脹應(yīng)變,因此式(１)可修正為
式中:εt 為總應(yīng)變;εe 為彈性應(yīng)變;εp 為蠕變應(yīng)變;εr為熱膨脹應(yīng)變;E 為彈性模量;σ為應(yīng)力;C 為常數(shù).
式(２)對時間t微分,可以得到應(yīng)力松弛一般方程,為
式中:σ?? 為應(yīng)力松弛速率;ε??p 為松弛蠕變速率;ε??r 為熱膨脹應(yīng)變速率;ε??ie為非彈性應(yīng)變速率.由于在時效溫度下存在保溫時收縮的現(xiàn)象,式(３)中的ε??ie包括ε??p 和ε??r 兩部分,因此需要將ε??ie減去ε
??r,才能得到應(yīng)力松弛中實際的ε??p.但是受到時效強化作用的影響,ε??p 不能近似于
該應(yīng)力水平下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε??c,在應(yīng)力達到穩(wěn)定之前不 能 將 其 簡 單 地 分 為 多 個 微 小 段 蠕 變 的 累積[１３],因此傳統(tǒng)的ε??pＧσ 曲線不能很好地描述其反常應(yīng)力松弛現(xiàn)象.由于在時效溫度下保溫時強化相隨時間延長不斷析出,松弛應(yīng)力和蠕變應(yīng)變對時間的變化更為敏感,因此利用式(３)對應(yīng)力松弛曲線進行處理,得到ε??eＧt、ε??
rＧt和ε??pＧt曲線.
由圖７可以看出:在６２０,７２０ ℃下進行應(yīng)力松弛試驗時,ε??r 在試驗初期較大,說明合金在試驗初期處于較高的收縮水平;隨著時間的延長,應(yīng)變收縮速率迅速降低,當時間為２h后逐漸穩(wěn)定.γ″相是 GH４１６９合金 的 主 要 強 化 相,鈮 是 形 成 γ″相 的關(guān)鍵元素.在 γ″相 析 出 過 程 中,鈮 原 子 遷 移 形 成γ″相,γ基體相的化學(xué)成 分 隨 之 改 變;而 γ基 體 相化學(xué)成分的變化將導(dǎo)致晶格常數(shù)的變化[１４],特別是具有較高維加德系數(shù)的鈮原子對晶格常數(shù)的影響更為顯著.在 GH４１６９合金中,γ″相的形核生長主要發(fā)生 在 時 效 處 理 的 前 ２h內(nèi)[１５].由 此 可 知,在應(yīng)力松弛試驗的前２h內(nèi),γ″相的快速析出導(dǎo)致
γ基體相中鈮原子數(shù)量減少,使得 γ基體相的晶格常數(shù)減小,試 樣 發(fā) 生 劇 烈 收 縮.在 應(yīng) 力 松 弛 試 驗２h后,γ″相 析 出 逐 漸 減 少,熱 膨 脹 應(yīng) 變 速 率 也 趨于穩(wěn)定.
ε??p 的變化主要是由于材料蠕變機制導(dǎo)致的塑性應(yīng)變在起主導(dǎo)作用.由圖７還可以看出,在６２０℃和７２０ ℃下,ε??p 同樣在２h后由試驗初期的較高水平迅速降低直至穩(wěn)定.在試驗初期,GH４１６９合金的變形抗力較小,易于發(fā)生塑性變形,因此ε??
p 較高;隨著時間的延長,γ″相的快速析出導(dǎo)致合金不斷強化,ε??p 逐漸降低;當時間延長到２h后,γ″相基本析出完畢,ε??p 趨于穩(wěn)定.
由以上分析結(jié)果可知,在６２０ ℃和７２０ ℃應(yīng)力松弛過程中,保持恒定的總應(yīng)變可以分為兩部分:一是晶格常數(shù)減小造成的永久性收縮,由γ″相的析出導(dǎo)致,因而不屬于塑性應(yīng)變;二是由位錯滑移及元素擴散引起的塑性應(yīng)變,這部分應(yīng)變還受到了γ″相析出引起的時效強化的影響.GH４１６９合金在６２０ ℃保溫時的收縮程度高于其塑性應(yīng)變,收縮在應(yīng)力松
弛中占據(jù)主導(dǎo)地位,合金整體上處于不斷收縮狀態(tài),為了保持總應(yīng)變不變,應(yīng)力反常增大;而在７２０℃下合金的應(yīng)變收縮量小于其塑性應(yīng)變,塑性應(yīng)變在應(yīng)力松弛中占據(jù)主導(dǎo)地位,應(yīng)力呈正常下降趨勢.
此外,合金在５００ ℃下的應(yīng)力松弛同樣出現(xiàn)了收縮以及反常應(yīng)力松弛和負蠕變應(yīng)變現(xiàn)象,但在顯微組織中沒有觀察到任何析出相,其收縮可能是由于鈮、鋁和鈦等固溶元素在位錯或晶界等晶體缺陷部位上富集而導(dǎo)致的,這需要用３D 原子探針對合金的元素富集效應(yīng)進行進一步分析以驗證.
３ 結(jié) 論
(１)在５００ ℃和６２０ ℃應(yīng)力松弛試驗過程中,GH４１６９合金的應(yīng)力隨時間的延長反常增大,在相同溫度下的蠕變試驗過程中表現(xiàn)為負蠕變應(yīng)變;而在７２０ ℃下的應(yīng)力松弛和蠕變行為均正常.
(２)在熱膨脹試驗過程中,在不同溫度下保溫時 GH４１６９合金均出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象,說明合金中存在著非蠕變機制的收縮效應(yīng).
(３)γ″相析出帶來的化學(xué)成分變化導(dǎo)致γ基體的晶格常數(shù)減小,是引起 GH４１６９合金在６２０ ℃下應(yīng)力反常增大的主要原因.