形變及熱處理對(duì)12Cr3W3Co馬氏體耐熱鋼組織與性能影響的研究.pdf

1、本文以未來可能被用于650 oC高溫的12Cr3W3Co（SAVE12）馬氏體耐熱鋼以及經(jīng)不同形變熱處理工藝處理后的SAVE12鋼為研究對(duì)象，首先對(duì)SAVE12鋼的1000小時(shí)短期蠕變性能和高溫?zé)崽幚韺?duì)其含高溫Delta鐵素體組織調(diào)控的影響進(jìn)行分析；然后以SAVE12鋼為基礎(chǔ)鋼，進(jìn)行不同工藝的形變熱處理，利用650 oC和800 oC大變形軋制分別制備出納米級(jí)析出相強(qiáng)化鋼和納米級(jí)板條馬氏體與析出相強(qiáng)化鋼，進(jìn)一步提高SAVE12鋼的高溫性

2、能，探討了變形量與回火溫度對(duì)其組織與性能的影響，并采用了一種高溫慢速率拉伸實(shí)驗(yàn)手段對(duì)不同工藝形變熱處理后的SAVE12鋼進(jìn)行初步篩選，對(duì)篩選出性能較優(yōu)的材料進(jìn)行蠕變性能評(píng)估和微觀組織演變研究。
　　SAVE12鋼的短期蠕變結(jié)果表明，其蠕變曲線具有典型的三段特征，其應(yīng)力指數(shù)n值在11-14之間，對(duì)應(yīng)的蠕變變形機(jī)制為位錯(cuò)攀移。在600-650 oC，100-210 MPa蠕變條件下，激活能數(shù)值在462.1 kJ/mol和818.2 k

3、J/mol之間，均高于Fe在?-Fe中自擴(kuò)散的激活能（239 kJ/mol）。采用金相顯微鏡（OM）及場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（ FE-TEM）分析研究了原始SAVE12鋼蠕變實(shí)驗(yàn)前后的組織演變，發(fā)現(xiàn)原始SAVE12馬氏體耐熱鋼中含有約為13.2％的竹節(jié)狀高溫Delta鐵素體，并在其與原奧氏體交界處發(fā)現(xiàn)大量形狀不規(guī)則的Fe2W型Laves相，為含有高密度層錯(cuò)的hcp C14結(jié)構(gòu)，其選區(qū)電子衍射花樣有典型的條紋特征。在早期蠕變過程中，(Fe,

4、Cr)2W型Laves相在高溫Delta鐵素體內(nèi)優(yōu)先形核析出。主要形成原因是高溫Delta鐵素體與馬氏體的固溶度不同，能譜分析（EDS）測(cè)得高溫Delta鐵素體中W的含量幾乎為馬氏體基體含量的兩倍。Laves相的析出與應(yīng)力、溫度有關(guān)，高應(yīng)力（溫度）下Laves相尺寸和數(shù)目高于低應(yīng)力（溫度），蠕變?cè)嚇痈哂跁r(shí)效試樣。
　　SAVE12馬氏體耐熱鋼的基體中含有一定量的高溫Delta鐵素體，形成原因受控于合金成分設(shè)計(jì)。在高溫下退火處理，高

5、溫Delta鐵素體發(fā)生了溶解現(xiàn)象，且溫度越高溶解速度越快。利用熱力學(xué)模擬計(jì)算軟件JMatPro-7.0、Creq-Nieq當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式以及‘TTT’等溫轉(zhuǎn)變曲線，分析討論了高溫Delta鐵素體的產(chǎn)生原因和溶解機(jī)理。此外，根據(jù)JMatPro-7.0軟件計(jì)算出的平衡相圖，可以分析SAVE12鋼的亞穩(wěn)奧氏體溫度區(qū)間和第二相析出溫度，有助于軋制溫度和回火溫度的選取。
　　650 oC同步軋制大變形處理后的SAVE12鋼，基體組織主要為塊狀

6、馬氏體，并含有少量的板條狀馬氏體，板條寬度由原始樣品中的幾百納米細(xì)化到100納米以內(nèi)。經(jīng)650 oC回火處理后，在馬氏體基體組織中形成細(xì)小彌散分布的納米級(jí)M23C6型碳化物析出相，平均粒徑為12.7納米，為原始樣品的1/16。析出相的粒徑隨著回火溫度的升高呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)回火溫度達(dá)到765 oC時(shí)，平均粒徑達(dá)到63.5納米，仍低于原始樣品的203納米。形變熱處理后SAVE12鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，尤其是93%大變形650 oC回火后的

7、材料，室溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為938 MPa和1046 MPa，遠(yuǎn)高于原始SAVE12鋼樣品的552 MPa和736.1 MPa。從蠕變結(jié)果來看，經(jīng)過形變熱處理后的材料，在650 oC/180 MPa蠕變條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在650 oC/210 MPa蠕變條件下，蠕變斷裂壽命增加了2倍。
　　為了進(jìn)一步細(xì)化材料的基體組織，制備納米板條馬氏體，實(shí)驗(yàn)中將同步大變形軋制溫度提高到800 oC。利用亞穩(wěn)態(tài)變形奧氏體

8、在軋制過程中的回復(fù)與再結(jié)晶，獲得了超細(xì)等軸奧氏體晶粒，隨后通過水淬形成呈單向分布的納米板條馬氏體，再通過回火處理獲得納米級(jí)析出相。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)大變形軋制后，原奧氏體平均晶粒尺寸由原始SAVE12鋼中的幾十微米降低至1微米左右，形成等軸超細(xì)原奧氏體晶粒。水淬后，80%變形量的SAVE12鋼馬氏體寬度細(xì)化到100納米以內(nèi)，而93%變形量的材料則細(xì)化到20納米以內(nèi)，形成納米級(jí)板條馬氏體組織。650 oC回火后，在馬氏體板條界和塊狀基體內(nèi)形

9、成了高密度呈彌散分布且粒徑只有幾個(gè)納米的M23C6碳化物析出相。93%變形650 oC回火后的材料展示出良好的力學(xué)性能，硬度為HV401，遠(yuǎn)高于原始材料的HV252，室溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高于80%變形回火后材料，分別為1096 MPa和1213 MPa，相比原始材料，提升了98.6%和64.8%，在慢速率高溫拉伸過程中顯示出高的應(yīng)變硬化和低的應(yīng)變軟化。在550-650 oC下的應(yīng)力指數(shù)n值在13-18之間，略高于原始材料應(yīng)力指數(shù)。表觀