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第二相和夹杂物对2Cr13冲击韧性的影响

郑荣军 翟武艺 张 政 / 西安陕鼓动力股份有限公司    

Abstract
摘要:以2Cr13微观组织中第二相和夹杂物为研究对象,通过分析2Cr13组织中第二相组成和分布,以及夹杂物的成分和分布形式对2Cr13力学性能的影响,明确了2Cr13的控制要因,为其在工业应用中质量的控制提供了依据。
关键词:2Cr13;第二相;夹杂物
中图分类号:TG144 文献标志码:A
The Effect of the Second-phase and Inclusion on 2Cr13 Impact Toughness
Abstract: In this paper, aiming at the second-phase and inclusion of the 2Cr13 microstructure as the research object,through analyzing the composition and distribution of the second-phase, and the effect of the composition and distribution of inclusion on 2Cr13 mechanical properties, the material controlling factors are defined clearly. It has provided a basis in industry application for the quality control.
Key words: 2Cr13; second-phase; inclusion
0 引言
  叶片是透平机械的关键零部件,处于高速气流的包围中,并承受较高的机械负荷[1] 。其材料的强度可靠性关系到整个机组的安全运行,因此,如何在机组正常服役期内防止叶片的意外失效日益受到重视。
  马氏体不锈钢2Cr13因其良好的综合力学性能和耐蚀性被广泛作为透平叶片的材料[2] ,本文通过2Cr13微观组织中第二相和夹杂物两因素与冲击韧性的对应关系研究,详细分析了第二相和夹杂物对2Cr13力学性能的影响,为材料的质量控制提供了依据。
1 试验方法和设备
1.1 试验方法

  取三种不同厂家2Cr13棒料锻制成100×50×30mm试样,经860℃×5h退火+970℃×4h淬火+720℃×8h回火,按照原材料来源依次编号1#、2#、3#。
1.2 试样制备
  金相试样尺寸为10×10×10mm,采用三氯化铁盐酸溶液浸蚀,微观组织观察与分析在奥林巴斯GX71金相显微镜上进行,透射试样预先用切割机从冲击样品上截取0.5~1mm厚的薄片,手工研磨至80~100μm,采用双喷电解进行最终减薄,透射电镜观察在JEM-3010高分辨透射电子显微镜上进行,加速电压300kV。

图1 2CR13夹杂物形态分布及热处理后微观组织图

图2 2CR13第二相分布形态图

2 试验结果与分析
2.1 夹杂物形态与分布

  图1(a)~(c)分别为1#、2#和3#试样夹杂物形态与分布,由图1(a)~(c)可见1#和3#试样夹杂物数量相对2#试样较多,均呈现圆形黑色颗粒,依据GB/T 10561—2005/ISO 4967:1988(E)钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法对三个试样的夹杂物类型和等级进行评定,三种试样均为D型夹杂物[3] ,夹杂物等级分别为2.5、1.5和2.5,三种试样按上述热处理制度处理后,微观组织均为回火索氏体,见图1(d)。
  图2为三种试样背散射电子相,从图2中可以看出,1#试样夹杂物较多,第二相粒子数量较少且分布较为均匀,而2#和3#试样表面有大量的第二相粒子,并且有明显的沿晶分布,夹杂物颗粒较少。对于三种试样夹杂物判定,图1和图2金相显微照片与扫描显微形貌基本相同,只有3#试样的夹杂物有较大差异,在金相显微照片中根据图1(c)3#试样的夹杂物的数量相当多,而在扫描显微形貌图中根据图2(c)夹杂物的数量很少,与2#试样的夹杂物的数量接近。这可能是由于金相试样抛光后表面受到污染的原因,应该以扫描显微形貌图为准[4] 。因此,整体分析为1#试样的夹杂物与2#试样、3#试样的夹杂物形态相同,数量上1#试样的夹杂物较多,2#试样、3#试样的夹杂物较少。
  根据扫描电子显微镜对三种试样的夹杂物分析,发现1#试样与2#、3#试样的夹杂物的形态不同,1#试样夹杂物为圆形,2#、3#样品的夹杂物为条块状,当然成分也不同。圆状的夹杂物的成分根据表2进行分析,发现Cr与C的含量较高,而夹杂物的成分应该为氧化物,排除掉基体成分的干扰,根据表1的成分可以看出,Mg的含量很可观,因此可知,圆状的夹杂物成分主要为MgO。 [5]对于条状夹杂物,由表3进行分析,其中Al的含量相当高,则可以确定条状的夹杂物成分为Al2O3[6]

表 1 三种试样夹杂物成分分析

1# 和 2# 试样

3# 试样

元素

重量百分比

原子百分比

标准样品

元素

重量百分比

原子百分比

标准样品

C K

11.18

31.82

CaCO 3

O K

40.28

57.20

SiO 2

O K

6.58

14.06

SiO 2

Al K

42.25

35.57

Al 2 O 3

Mg K

1.81

2.55

MgO

Cr K

4.44

1.94

Cr

Si K

2.49

3.03

SiO 2

Fe K

13.03

5.30

Fe

Cr K

18.14

11.93

Cr

总量

100.00

Mn K

1.68

1.04

Mn

Fe K

58.12

35.57

Fe

总量

100.00

2.2 第二相形态与分布
  利用透射电镜对1#、2#和3#试样第二相进行分析,对三种试样衍射花样进行标定,三种试样所测量的晶面间距及夹角与Cr23C6的PDF卡片吻合,由此确认三种试样第二相均为Cr23C6[7]

表2 三种试样冲击韧性表

样品编号

1#

2#

3#

冲击韧性 /J

111.23

108.78

109.27

73.5

77.42

72.52

63.21

62.72

58.31

平均值 /J

109.76

74.48

61.41

  表2为三种试样冲击韧性测试值,从表2中可以看出,1#试样冲击韧性最高,2#和3#冲击韧性相当,根据图2扫描显微形貌,由于三种试样的夹杂物都远远少于第二相的数量,因此,其冲击韧性应该从第二相的方向进行分析[8] 。首先,其第二相的成分都相同,其次,从图4中可以看出三种试样第二相的形状也相近,所以只能从第二相的分布考虑[9]

                                           图4 三种试样第二相形貌图
  由图2扫描显微形貌发现,1#试样的第二相弥散分布,而2#、3#试样的第二相有明显的沿晶分布,即为组织缺陷。弥散分布的第二相质点成为位错运动的阻碍,而Cr23C6为不可变形的粒子,当位错运动与不可变形的第二相Cr23C6相遇时,将受到粒子的阻挡,使位错线绕着粒子发生弯曲[10] 。随着外加应力的增大,位错线受阻部分的弯曲更剧,一直围绕着粒子的位错线在左右两边相遇,于是正负位错彼此抵消,形成包围着粒子的位错环留下,而位错线的其余部分则越过粒子继续移动[11]  。显然,位错按这种方式移动时受到的阻力是很大的,而且每个留下的位错环要作用于位错源一个反向应力,故继续变形时必须增大应力以克服此反向应力,使流变应力迅速提高。因此产生显著的强化作用[12] ,1#试样的冲击韧性较大。而对于沿晶分布的脆性第二相,在外力的作用下,这些网状脆性相将直接承受载荷,很易于破碎形成裂纹并使裂纹沿晶界扩展,这势必降低了晶界的结合强度,导致脆性的沿晶断裂[13] ,从而解释了2#和3#试样的冲击韧性相对较低。
3 结论
  1) 马氏体不锈钢2Cr13微观组织中第二相多以铬的碳化物为主,即M23C6型碳化物;
  2) 相对于第二相,在允许的范围内夹杂物对2Cr13不锈钢的冲击韧性的影响不明显,而第二相的数量和分布是影响2Cr13不锈钢的冲击韧性主要因素,第二相的沿晶分布可导致冲击韧性大幅降低。

                参 考 文 献

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  评论人:荷兰网   打分:0 分  发表时间:2015-9-21 15:16:24
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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-7-12 0:31:26
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  评论人:荷兰网   打分:0 分  发表时间:2015-6-30 18:16:16
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