含Cu的HSLA钢中富Cu团簇的粗化行为及其对力学性能的影响

利用原子探针层析技术(APT)对含1.4 mass%Cu的低合金高强度钢(High strength low alloy,HSLA)在450℃回火2~100 h后的富Cu团簇进行了表征,并对富Cu团簇的粗化行为及其强化行为进行了定量分析,通过拉伸实验测定了实验钢的力学性能。APT结果表明:随着回火时间的延长,富Cu团簇的等效半径逐渐增加、数量密度逐渐降低。富Cu团簇的粗化系数k,由回火2~10 h的1.9 nm^(3)/h,减小为50~100 h时的0.27 nm^(3)/h,导致富Cu团簇粗化速率下降。回火过程中,析出的富Cu团簇通过与位错的交互作用,显著提高了1.4Cu钢的屈服强度,回火2~10 h时后实验钢出现了一个屈服强度约为1076 MPa和伸长率约为19%的平台,表明实验钢具有良好的强塑性匹配。

含1.4%Cu的HSLA钢的组织和力学性能

以不含Cu (0Cu)和含1.4%Cu (1.4Cu)的HSLA钢为研究对象,利用OM、SEM、EBSD等技术手段研究了Cu对HSLA合金钢显微组织的影响,利用APT表征了纳米富Cu团簇的析出特征,并通过拉伸和冲击实验测定了合金钢的力学性能。结果表明,淬火态Cu固溶在基体中,经回火后则以富Cu团簇的形式在基体和界面处析出。Cu对回火态HSLA合金钢的原始奥氏体晶粒尺寸、显微组织及有效晶粒尺寸均无明显影响,但对其强度和冲击功影响较大。1.4Cu钢经过450℃回火处理后获得最佳强化效果,其屈服强度比0Cu钢提升了143 MPa,此时1.4Cu钢的室温冲击功仅为24 J,断口以河流花样为主,其断裂方式为准解理脆性断裂;而0Cu钢的室温冲击功高达127 J,其断裂方式为韧窝的韧性断裂。APT实验结果表明,2种回火态合金钢的板条界面处均存在C、Cr、Ni、Mn元素的富集。与0Cu钢相比,1.4Cu钢的板条界面处存在大量富Cu团簇,从而导致较大的应力集中,有利于裂纹的萌生,并且板条界面处析出的富Cu团簇会排斥Mo元素,抑制了Mo元素在板条界处的偏聚,相对降低了板条界面处的结合强度,有利于裂纹沿板条界扩展。此外,富Cu团簇在强化基体的同时,也会降低基体的韧性,加快裂纹在基体内的扩展。因而,1.4Cu钢在获得最佳强化效果时其冲击性能较差。

回火时间对Fe-Cr-Ni-Mo高强钢碳化物演变及力学性能的影响

利用TEM和SEM研究了回火时间(10、20、40和120 min)对不同V含量(0、0.08%、0.14%,质量分数)Fe-Cr-Ni-Mo高强钢碳化物转变和力学性能的影响。结果表明,淬火态0V钢在马氏体板条间析出了少量的M7C3型碳化物,而含V钢中无碳化物析出,因此淬火态0V钢的强度最高(2060 MPa)。回火处理过程中,短时间(20 min)回火时,0V钢仅在板条间析出了M3C型碳化物,随着回火时间延长,M3C型碳化物逐渐转变为M23C6,这2种碳化物尺寸均较粗大(150~300 nm),对合金钢强度的贡献相对较弱,导致0V钢的强度逐渐下降,由回火20 min时的1197 MPa下降到回火120 min后的1088 MPa。加入V后,合金钢经短时间(20 min)回火后不仅在晶界析出M3C,还在晶内析出了数量较多的M2C,且尺寸细小(不大于80 nm),随着回火时间的延长,M3C逐渐分解并形成了数量较多的M6C和更稳定的MC,对合金钢的沉淀强化效果较强,且对塑韧性的影响相对较小。因此随着回火时间的延长,含V钢的强度基本保持不变,而塑韧性呈现增加的趋势,获得了良好的强韧性配合。

Cu的析出及其对FeCrMoCu合金阻尼性能和力学性能的影响

采用扫描透射电镜(STEM)和动态机械分析仪(DMA)研究了FeCrMoCu合金(Cu添加量为1.0%和2.0%,质量分数)在不同冷速条件下Cu的析出行为及其对阻尼性能和力学性能的影响。结果表明:1.0Cu合金中Cu主要以过饱和的形式固溶在基体,当冷速较慢(炉冷)时会析出少量的富Cu相,该相尺寸较小(<5nm),Cu含量较低(3.7%);Cu增加到2.0%后,随着冷速的下降(从水冷到空冷,最后到炉冷),合金中先析出数量较少、尺寸较小的富Cu相,随后析出数量较多、尺寸稍大的球状第二相(10~15nm),最后析出相粗化成圆棒状(100~400nm)但数量显著减少,后2种析出相的Cu含量明显增加(30%~40%)。含Cu第二相的析出,明显增加合金平均内应力,使合金的阻尼性能显著下降,因此有第二相析出的2.0Cu合金阻尼性能明显低于1.0Cu合金。与此同时,合金的强度随着富Cu相的析出而明显提高,其中尺寸较小的富Cu相析出强化效果较好,且对塑韧性的影响相对较小。含1.0%Cu的FeCrMoCu合金可以同时获得较好的阻尼性能和力学性能。

海洋平台用Ni-Cr-Mo-B超厚钢板的截面效应

采用OM、SEM、TEM、EBSD、拉伸和冲击等分析和检测技术,研究了工业生产的117 mm厚Ni-Cr-Mo-B超厚钢板在厚度方向上微观组织的变化及其对力学性能的影响。结果表明,从表层到芯部,超厚板的屈服强度逐渐降低,表层和芯部的屈服强度分别为798和718 MPa;延伸率变化不大,为20.0%~22.0%;然而超厚板的-60℃冲击功变化较大,其中表层、1/8T(T代表板厚)和芯部的冲击功分别为35、160和20 J,使得整个厚度方向上的冲击功变化曲线呈现"M"型。从表层到芯部,超厚板的板条宽度(198.7~500.6 nm)、界面碳化物尺寸(130.6~226.6 nm)和晶内碳化物尺寸(45.8~106.2 nm)均逐渐增加,芯部还存在一定的块状区,板条的细晶强化和碳化物的析出强化效果均减小,使得屈服强度从表层到芯部逐渐降低。从表层到芯部,有效晶粒尺寸先减小后增加,表层(2.2μm)和芯部(2.7μm)的有效晶粒尺寸较大,对解理裂纹扩展的阻碍作用较弱,使得表层和芯部的冲击功较低;而1/8T位置具有较小的有效晶粒尺寸(1.7μm),对解理裂纹的阻碍作用较强,从而获得较高的冲击功。

淬火冷却速率对海洋平台用Ni-Cr-Mo-B钢性能的影响

使用热膨胀仪、SEM电镜、EBSD、硬度、拉伸和冲击等观察和检测手段,研究了淬火冷却速率对海洋平台用Ni-Cr-Mo-B钢的显微组织、有效晶粒尺寸(EGS)和力学性能的影响。结果表明,不同冷却速率的合金钢,其显微组织包括板条马氏体(LM)、板条贝氏体(LB)、粒状贝氏体(GB)和F(铁素体)。随着淬火冷却速率的降低合金钢的显微组织分别为LM(>20℃/s)、LM/LB(20~2℃/s)、LB(2~1℃/s)、LB/GB(1~0.2℃/s)、GB/F(0.2~0.02℃/s),其硬度由100℃/s时的393HV逐渐降低至0.02℃/s时的291HV。回火后合金钢的屈服强度由水冷的836 MPa降低至炉冷的726 MPa,而延伸率几乎不变,约为20%。油冷合金钢的-60℃冲击功最高(199 J),水冷次之(54 J),空冷和炉冷合金钢的最低(<30 J)。其原因是,油冷合金钢具有LM_(T)/LB_(T)混合组织,较小的EGS(1.6μm)对解理裂纹的阻碍作用较强;而空冷、炉冷合金钢的组织分别为GB_(T)/LB_(T)、GB_(T)/F,其EGS较大(分别为2.4和2.8μm),对解理裂纹的阻碍作用较弱。