沉淀强化奥氏体合金氢脆机理及相关性能研究

• 作 者: 郭子峰
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 沉淀强化 奥氏体合金 氢脆机理 持久性能 敏感性

本文以一种沉淀强化奥氏体合金J75为研究对象，系统研究了硼对合金组织、力学及抗氢脆性能的影响，结合扫描电镜(SEM)、三维原子探针(3DAP)、二次离子质谱(SIMS)、透射电镜(TEM)等技术揭示了合金具有高氢脆敏感性的原因，提出了J75合金氢脆机理并进行验证，同时考察了该合金的持久性能。　　
峰值时效处理后，无硼J75合金晶界上极易析出片层状η相，在变形过程中该相会导致应力集中，从而降低合金的拉伸塑性;由于η相与基体界面为非共格关系，使得η/γ界面成为强的氢陷阱，能捕获大量的氢原子，导致合金氢脆敏感性增加;在合金中加入适量的硼，通过硼在晶界上的偏聚，可抑制η相的析出，提高合金力学及抗氢脆性能。　　
对于过时效态合金，适量硼的加入，不仅抑制晶界η相的析出，而且阻碍晶界碳化物的粗化，这是由于偏聚的硼原子占据η相、碳化物的形核位置，并抑制合金元素沿晶界扩散;过量硼的添加，降低游离态硼原子的有益作用，促进晶界硼化物、η相的析出，合金的氢脆敏感性增加。　　
与单相奥氏体合金相比，即使晶界无η相的析出，J75合金的氢脆敏感性仍较高，氢致塑性损减达到40％以上，现有的氢脆机理不能解释其原因。3DAP结果显示，氢原子未在γ相内及γ/γ界面上富集，表明γ和γ/γ界面均不是强的氢陷阱;HRTEM观察表明，发现在整个拉伸变形过程中γ/γ界面始终保持共格关系;位错组态观察结果显示，氢和有序相γ促进基体中位错的平面滑移，使得氢易于被运输至较强的氢陷阱处并产生聚集。根据以上研究结果，提出沉淀强化奥氏体合金氢脆机理:在强化相γ’与氢的共同作用下，位错的平面化滑移严重，氢易被位错运输到晶界等强陷阱处，引起合金发生沿滑移带开裂和沿晶开裂，氢脆敏感性增加。　　
对单相奥氏体合金的氢脆敏感性研究表明，即使晶界上析出大量碳化物，但由于变形过程中位错严重缠结，氢难于通过位错运动被运输到晶界上造成局部的富集，合金表现出很好的抗氢脆性能;J75合金在低温下（低于-50℃）具有良好的抗氢性能，是由于低温下氢的扩散系数低，氢不能随平面化滑移的位错运动，因而氢也难于在强陷阱处富集。上述实验结果支持本研究提出的氢脆机理。　　
对含η相的J75合金在不同温度和应力下的持久性能研究表明，合金持久性能受到η相的影响，在低温高应力下，η相促进晶界处应力集中并引起开裂，降低合金持久寿命及塑性;高温低应力状态下，η相通过阻碍晶界滑动及迁移，显著提高合金的持久塑性。