张 涛, 郑文杰, 李才巨, 方 轶

(1. 昆明理工大学 材料科学与工程学院, 云南 昆明 650039;2. 钢铁研究总院有限公司 特殊钢研究院, 北京 100081;3. 攀钢集团江油长城特殊钢有限公司, 四川 江油 621701)

铆接是飞行器上部件连接最普遍的方式[1-2],可实现部件连接和载荷传递,对飞行器的安全至关重要[3]。抽芯铆钉作为一种标准连接件,因其优异的耐蚀性和适中的强度被广泛应用于飞机铆接[4-5]。铆钉的成形性与性能稳定性是重要的性能指标,尤其是批次稳定性,目前国内制造铆钉的水平还未达到飞机用铆钉的使用标准,仍主要依赖进口[6]。铆钉的性能稳定性与其丝材的组织控制密切相关,组织控制与其制造的全流程相关,丝材的最终热处理是其组织性能调整的关键工序,掌握其组织性能与热处理参数的变化规律,可以针对不同成分及工艺的丝材制定合理的热处理工艺,保证丝材性能的稳定性。

用于制造Monel 400合金铆钉丝材的加工工艺为熔炼→锻造开坯→热轧→中间退火处理→冷拔成丝→最终退火处理。丝材在成形过程中需要通过反复的退火及冷变形,中间退火主要是为了使丝材软化以适合后续的冷变形,最终退火工艺用来调整丝材的组织及强度,合理的退火工艺能得到较为稳定的组织和适合的晶粒度,对其耐蚀性和力学性能的提升具有重要作用[7-10]。本文系统研究了热处理工艺对Monel 400合金晶粒尺寸、组织均匀性的影响,并着重探究组织演变与组织稳定性的内在关系。

1 试验材料与方法

采用真空感应炉冶炼6种不同C含量的试验用Monel 400合金,其化学成分如表1所示。采用50 mm厚坯料,在1050 ℃热轧成形为14 mm厚板材,变形结束后水冷至室温。利用线切割从热轧板上切取尺寸为10 mm×10 mm×6 mm的金相试样,进行不同的中间退火处理。将试样在750、800、850、900、950 ℃分别保温10、20、30、60 min,保温结束后迅速水冷,然后经打磨抛光和用10%(体积分数)高锰酸钾溶液腐蚀,腐蚀后的试样先用饱和草酸溶液清洗,再用清水清洗,随后吹干。采用OLYMPUS-GX51型显微镜观察显微组织,并用人工截距法[11]统计不同退火处理后试样的晶粒度。利用配有EBSD探头的FEI Quanta 650FEG场发射扫描电镜对750、800、850、900、950 ℃保温30 min和950 ℃保温10、20、30、60 min试样进行EBSD分析。

表1 不同C含量的Monel 400试验合金的化学成分(质量分数, %)

2 试验结果与分析

2.1 退火温度的影响

图1为C含量为0.059%的Monel 400合金在不同温度退火30 min后的EBSD图像。可以看出,随着退火温度的升高,晶粒尺寸明显增大,且存在有大量孪晶组织,晶粒无明显取向关系。图2为不同退火温度下的晶粒尺寸(d)统计图,其中样本方差(σ2)用来表征晶粒尺寸的均匀性。可以看出,当退火温度从750 ℃升至950 ℃时,奥氏体平均晶粒尺寸由23.8 μm升至51.5 μm,且当退火温度达到900 ℃以上时,晶粒长大速度明显加快,而晶粒尺寸方差先减小后增加,结合图1可知,750 ℃时不同区域的晶粒尺寸差异明显较大,而800 ℃和850 ℃时晶粒尺寸较为均匀,900 ℃以上时晶粒尺寸差异又增加。因此当退火温度为800 ℃和850 ℃时,更容易得到晶粒度较小且相对均匀的组织。

图1 C含量为0.059%的Monel 400合金在不同温度退火30 min后的EBSD图

图2 C含量为0.059%的Monel 400合金在不同温度下退火30 min后的晶粒尺寸统计

2.2 退火时间的影响

图3为C含量为0.059%的Monel 400合金在950 ℃退火不同时间后的EBSD图像。结合图1(d)可以看出,随着保温时间的延长,晶粒尺寸明显增加。图4为不同退火时间下的晶粒尺寸统计结果,可以看出,退火时间从10 min增加到60 min,晶粒尺寸由32.5 μm增加到66.5 μm,且在20 ～30 min之间的晶粒长大速度较快,保温30 min后,晶粒长大速率降低,而晶粒尺寸方差先增大后减小。

图3 C含量为0.059%的Monel 400合金在950 ℃下退火不同时间后的EBSD图

图4 C含量为0.059%的Monel 400合金在950 ℃下退火不同时间后的晶粒尺寸统计

在退火处理时,奥氏体晶粒长大是一个自发的过程[12],该过程是晶粒长大动力和晶界推移阻力相互作用的结果。晶界推移阻力为细小难溶的第二相沉淀析出粒子,推移中的晶界遇到第二相粒子时将发生弯曲,导致晶界面积增大,界面能升高,因此第二相粒子将阻碍晶界迁移,起到钉扎晶界的作用。由于Monel 400合金的组织为典型单相奥氏体,几乎不存在第二相粒子,无明显析出物的影响,因此在退火过程中晶粒长大速度较快,晶粒长大的驱动力为奥氏体晶界面能的减少,在一定温度条件下,奥氏体晶粒会相互吞噬长大。

奥氏体晶粒长大速度与晶界迁移速率及晶粒长大驱动力成正比,即:

u=K

(1)

式中:u为奥氏体晶粒长大速度;K为常数;R为气体常数;T为绝对温度;Qm为晶界移动激活能或原子扩散跨越晶界激活能;σ为比界面能;D为奥氏体晶粒尺寸。可见,随加热温度升高,晶粒长大速度u呈指数关系迅速增大。同时,晶粒越细小,界面能越高,晶粒长大速度u就越大。但当晶粒长大到一定程度后,由于D增大,晶粒长大速度将减慢。因此,在10～30 min内,随着保温时间的延长,晶粒快速长大到一定程度,随后由于D逐渐增大,晶粒长大速度减小。

在试样中,奥氏体晶粒尺寸分布是不均匀的,当晶粒快速长大时,细小的晶粒逐渐缩小、消失,较大的晶粒逐渐吞噬较小的晶粒。因此,随着退火时间的延长,晶粒尺寸的差异先增大,当细小的晶粒消失后,晶粒尺寸差异也减小,样本方差表现为先增大后减小。

2.3 C含量对组织的影响

图5为不同C含量Monel 400合金在750、800、850、900、950 ℃分别保温10、20、30、60 min后的晶粒尺寸统计结果。可以看出,随着退火温度的升高和保温时间的延长,晶粒尺寸明显增大,且在不同温度下,保温30 min之内的晶粒长大速度均明显大于保温30 min以后的速度。在750 ℃退火时,C含量对晶粒的影响并无明显规律;800～950 ℃退火时,C含量高的试样晶粒普遍较小,说明C元素有细微的细化晶粒作用,相差0.1%C的试样晶粒尺寸相差3～5 μm,C元素对晶粒长大的阻碍作用并不明显。在Monel 400合金中C以间隙原子的形式存在,且含量很低,几乎全部溶解在奥氏体当中,形成碳化物的数量极低,在奥氏体中只可能存在极少量的第二相粒子(EDS检测并未发现明显的第二相粒子),因此,在Monel 400合金中C元素细化晶粒的作用有限。

图5 不同C含量Monel 400合金在不同温度下退火不同时间后的晶粒尺寸统计

图6为不同C含量的Monel 400合金在850和900 ℃保温10 min后的显微组织。C含量为0.004% 的合金出现了混晶组织,如图6(a, b)所示,而C含量≥0.036%时均未出现混晶组织,且C含量为0.036%的合金组织较为均匀,如图6(c, d)所示。因此可以判断,适当的C含量在一定程度上有利于保持组织的均匀性,产生混晶现象的原因排除是第二相粒子和热轧过程中的不完全再结晶,可能是退火过程中相对细小的晶粒逐渐消失,较大的晶粒逐渐长大的过程中出现晶粒尺寸偏差较大的原因[13]。理想状态的晶粒呈六边形,晶界呈直线,3条晶界相交于一点且互成120°角。每个晶粒周围均有6个相邻的晶粒,这种状态下的晶粒不容易长大。而事实上由于晶粒大小难以保持完全均匀,相对较小的晶粒其相邻晶粒的数量可能会小于6,而相对较大的晶粒其相邻晶粒的数量可能会大于6。因此,由于界面张力的平衡作用,在退火时,相邻晶粒小于6的晶粒将弯曲成正曲率弧,使其晶界面积增大,界面能升高。为了降低界面能,这部分晶粒的晶界将从曲线变成直线,故导致该晶粒缩小,直至消失;而相邻晶粒数大于6的晶粒也因界面张力平衡弯曲成负曲率弧,为了减少界面面积,降低界面能,该晶粒将长大吞并周围的小晶粒[14]。在这个过程中,相邻晶粒小于6的晶粒逐渐消失,相邻晶粒大于6的晶粒逐渐长大,在加热时短时间内将导致晶粒尺寸的差异变大[15],因此C含量为0.004%的合金在850、900 ℃保温10 min出现了部分混晶组织。

图6 C含量为0.004%(a, b)和0.036%(c, d)的 Monel 400合金在850 ℃(a, c)和900 ℃(b, d)退火10 min后的显微组织

由于在工业应用中Monel 400合金的C含量普遍大于0.036%,因此可以避免超低C含量(0.004%)Monel 400合金出现混晶的现象。综合退火温度和时间的影响,在800～850 ℃保温10～20 min可得到晶粒细小且相对均匀的组织。

2.4 晶粒长大模型

从动力学角度来看,晶粒长大的本质就是晶界在晶体组织中的推移,是一个热激活的过程,其驱动力是晶界能,因此退火温度和时间决定着合金晶粒长大后的尺寸。变形过程中晶粒长大动力学模型可用平均晶粒尺寸与退火温度和退火时间的函数关系来表示,目前研究奥氏体晶粒的长大规律一般采用Sellar模型[16]和Anelli改进的模型[17-18]。本文采用Anelli改进模型:

d-d0=Atmexp(-Q/RT)

(2)

式中:d和d0分别为晶粒长大后与长大前的平均晶粒尺寸;t和T分别为退火时间和退火温度;A为材料常数;m为晶粒生长系数;R为气体常数;Q为晶粒长大激活能。对式(1)两边分别取对数得:

(3)

将试验测得的不同C含量Monel 400合金的晶粒尺寸代入式(2)中进行线性回归处理,再根据式(3)处理数据得到m、A和Q的值以及Monel 400合金退火时的晶粒长大方程,如表2所示。

表2 不同C含量Monel 400合金的Anelli改进模型参数值及晶粒长大方程

3 结论

1) Monel 400合金晶粒尺寸随退火温度的升高和保温时间的延长而增大,退火温度在900 ℃以上时,晶粒长大的速度更快,组织均匀性随温度的升高而变差;退火时间在30 min之内时,晶粒长大速度较快,而组织均匀性逐渐变差,晶粒长大到一定程度后,其长大速度降低,组织均匀性略有改善。

2) 非超低C含量(≥0.036%)的Monel 400合金在800～850 ℃退火10～20 min可得到晶粒细小且相对均匀的组织。

3) 根据Anelli改进模型建立了不同C含量Monel 400合金退火时的晶粒长大方程。