FeCr合金時效硬化與微觀結構的關系研究

孫麗娟，丁小明，陳冬生，黃 粒，杜旭初

(中國航發北京航空材料研究院，北京 100095)

高Cr鐵素體不銹鋼具有優良的抗輻照性能和高溫強度，是核電站冷卻管道等部位的重要結構材料[1-4]。在輻照和高溫條件下，Fe-Cr合金會產生富Cr的沉淀相α’相，導致不銹鋼塑、韌性和耐蝕性降低[5-9]。475 ℃ 時效脆性成為制約鐵素體鋼應用的一個至關重要的因素。這種脆性是由于鐵素體相在時效300～550 ℃過程中分解成富鉻相α′和富鐵相α[10-12]。富Cr析出物的產生會造成顯著的硬化和韌性的降低[13-14]。Williams等人用M?ssbauer 研究了475 ℃ 時效對鐵鉻合金的影響，總結出含鉻12%～29%的Fe-Cr合金的時效相分解通過形核長大的方式進行[15]。

很少有研究揭示Fe-Cr相分解的微觀結構，因為Fe和Cr具有相近的晶格常數，α′相與鐵基體之間有微弱的應力場，這也限制了投射電子顯微鏡(TEM)對于時效早期Fe-Cr相分解的微觀結構的研究[16-17]。本文利用TEM研究了長期時效對Fe-Cr 合金微觀結構的影響，并結合JMatPro模擬軟件計算探討了鐵鉻相分解與時效硬化的定量關系。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用的Fe-Cr合金是由99.995%的純鐵和99.999%的純鉻用真空氬氣電弧爐熔煉得到的。表1所示的是Fe-Cr合金的化學成分，因鉻含量在15%，故命名為Fe-15Cr 合金。所得到的紐扣錠先在1 100 ℃均勻化熱處理72 h，然后經過變形量約80%的冷軋，接著在900 ℃退火2 h，最后用冰水淬火。在獲得的薄板上沖壓獲得微小拉伸實驗件，樣品尺寸如圖1所示。所有樣品封在高真空(10-4Pa)石英管里，在450 ℃時效，時效時間長達10 000 h。

1.2 實驗方法

拉伸實驗是用一種INTESCO拉伸試驗機，在室溫條件下以0.2 mm/min的拉伸速度進行的。所有的屈服強度數據都是三組數據的平均值。微觀結構觀察是在JEOL TEM 2010下進行的，所用的雙噴液是醋酸和高氯酸按9∶1的體積比配置而成。

表1 Fe-15Cr 合金的化學成分 %

圖1 微小拉伸實驗件的幾何尺寸

2 實驗結果與分析

2.1 拉伸實驗

如圖2所示，隨著時效時間的延長，Fe-15Cr合金表現出明顯的時效硬化現象。具體表現為合金的屈服強度經5 000 h時效后幾乎增加了一倍。合金的硬化可以分為三個階段：①孕育期，時效時間短于500 h，合金幾乎沒有硬化；②強化期，時效時間大于500 h小于5 000 h，合金的屈服強度由200 MPa增加到400 MPa；③軟化期，時效時間大于5 000 h，此時處于過時效期，合金的屈服強度不再上升，甚至有所降低。

2.2 微觀結構

為了揭示合金硬化過程中的微觀結構變化，有必要用投射電鏡做細致的分析。圖3所示的是Fe-15Cr合金在不同時效時間的投射電鏡明場相和相應的JMatPro

圖3 投射電鏡明場相(左)和相應的JMatPro模擬計算結果(右)

模擬計算結果。可以看到，未時效的合金表現為沒有析出物的均一結構，如圖3(a) 所示；隨著時效時間的延長，析出物α′ 粒子的尺寸和大小都有所增加。JMatPro計算結果表明，顆粒狀的析出物的主要成分是Cr元素，而且富Cr析出物是以形核-長大的方式形成的[18]。

2.3 實驗結果分析

圖4總結了α′析出物的數密度和平均直徑隨時效時間的變化。隨著時效時間的延長，α′ 析出物的數密度先是急劇的增加，隨后又緩慢的少; 而平均尺寸隨時效時間一直在增大。

圖4 α′析出物數密度和平均直徑隨時效時間的變化

圖5展示了α′ 析出物的尺寸分布圖(Particle Size Distribution，PSD)隨時效時間的變化。結果表明，α′ 析出物的形核-長大過程是一個不均勻長大的過程。結合理論計算結果圖，可以看到，隨著時效時間的延長，尺寸小的α′ 析出物會逐漸消失，而相對尺寸大的α′ 析出物會逐漸增大[19]。

圖5 α′ 析出物大小分布圖

因為α′ 析出物是弱強化粒子，當位錯經過的時候，α′ 析出物會被切割，具體相互作用可以用圖6表示。但因為有大量的α′ 相存在，所以時效硬化效應會很明顯。

基于拉伸實驗結果和微觀結構分析，Fe-15Cr合金的屈服強度變化和α′ 析出物之間存在以下的Orowan型[20]定量關系：

Δσy=MαGb(Nd)1/2=1.14×10-5(Nd)1/2

式中：σy是屈服強度的變化量；M為泰勒常數取3.06；α為強化因子,取0.2；G是剪切模量,取75.3 GPa；b是伯格氏矢量,取0.248 nm；N是α′ 析出物的數密度；d是α′ 析出物的平均直徑，nm。

3 結 論

(1)Fe-15Cr合金經450 ℃ 時效10 000 h有明顯的時效硬化，表現為屈服強度的明顯提高。時效硬化可分為三個不同的階段：孕育期，強化期和軟化期。

圖6 位錯與α′ 析出物的作用關系

(2)Fe-15Cr 合金時效前后的微觀分析表明，隨著時效時間的延長，富Cr析出物的數密度和平均直徑都有所增加。富Cr析出物是以形核-不均勻長大的機制形成的。

(3)Fe-15Cr 合金的屈服強度增量和富Cr析出物的數密度及平均直徑間的定量關系表明，Fe-Cr合金的硬化主要是由于富Cr 析出物對于位錯運動的弱阻礙作用引起的。Fe-Cr 合金的時效硬化可以用Orowan 型強化模型解釋。