热循环过程铁铬铝合金中α＇相沉淀

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.0M.016 第17卷第4期 北京科技大学学报 Va.17o.4 1995Journal of University of Science and Technology Beijing A吧.1995 热循环过程铁铬铝合金中，'相沉淀 杜国维)曹慧泉)蔡家敏2)马如璋) 1)北京科技大学材料物理系，北京1000832)北京科技大学物理系，北京100083 摘要通过1200℃级冷至室温热循环过程，由于铬组元非平衡偏聚，加快铬在Fe25Cr5AN合金 中向晶界扩散，并产生富络的α'相沿晶及晶内沉淀；相变导致合金脆化，在晶界可观察到 微米级α'相，并产生穿晶解理断裂失效破坏， 关键词非平衡偏聚，解理断裂，热循环处理，x’相沉淀 中图分类号TG111.91 Precipitation of a'-Phase in Fe-Cr-Al Alloy during Thermal Cycling Process Du Guowei)Cao Huiquan)Cai Jiamin2)Ma Ruzhang) 1)Department of Materials Physics,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Department of Physics,USTB ABSTRACT By thermal cycling treatment from 1200 c to room temperature,a considerable acceleration of Cr diffusion to grain boundaries in Fe25Cr5Al alloy occurred due to nonequilibrium Cr element segregation,and resulted in the precipitation of Cr -rich a'-phase at grain boundaries and within grains;micrometer scale of a' -phase was observed at the grain boundary,the phase transformation resulted in the failure of the alloy by a mode of transgranular cleavage fracture. KEY WORDS nonequilibrium segregation,cleavage fracture,thermal cycling treat- ment,a'-phase precipitation 由于富铬a'相析出，高铬Fe一Cr-A1合金及铁素体不锈钢出现敏感的475℃脆性1~. a'相为bcc结构、a。=0.2872~0.2878nm.相当于含Cr在70%~90%的Fe-Cr合金相4. 由于弥散的x'相在基体中分布，对Fe-Cr合金在15~120h内产生时效硬化2，经10000h 退火，球化后的粒子尺寸扩展到20m范围.通常在更高的温度下，x'相在合金中显示 出较慢的溶解速度). 具有bcc结构的Fe25Cr5A1合金，作为电热元件材料得到广泛应用·合金在变温、氧化 性气氛中工作温度可达1200℃·本文研究了变温热循环中Fe25Cr5Al合金x'相沉淀过 程，以及相应合金脆化带来的失效破坏， 1实验过程 1994-10-20收稿 第一作者男58岁散授

第 17 卷 第 4 期 北 京 科 技 大 学 学 报 】望污 年 8 月 oJ ~ 1 o f U n 1 v e] sr iyt o f S a e n c e a dn eT hc n o fo gy eB ij 吨 Vd . 17 N 心 . 4 A嗯 . 1望巧 热循环过程铁铬 铝合金 中 : ` 相 沉淀 杜 国 维 ’ ) 蔡家敏 2 ) 马如璋 ’ ) l) 北京科技大学材料物理系 , 曹慧泉 , ) 北 京 10 洲犯 3 2) 北京科技大学物理系 , 北京 1砚刀 )83 摘要 通 过 12田 ℃ 缓冷 至室温热循环过程 , 由于铬 组元 非平 衡偏 聚 , 加 快铬 在 eF 之〔 r 5IA 合金 中向晶界 扩散 , 并产生富铬的 “ ` 相沿晶及 晶内沉淀 ; 相变导致合 金脆 化 , 在晶界 可 观 察到 微米级 “ ’ 相 , 并产生穿晶解理断裂失效破坏 . 关扭 词 非平衡偏 聚 , 解理断裂 , 热循环处理 , “ ’ 相沉 淀 中圈分类号 T G l l .g l P 代沦iP i at iot n o f 戊 ` 一 P h as e i n F e 一 C r 一 iA A ll o y d硕ng T h e 门m以 1 C vcl ing P or 昭 s D u G u o w e i l ) C a o H “ i叮u a n l ) C a i 了i a m i n Z ) M a 只u z h a n g l ) l ) D e P a rt me n t o f M a t e ir a l s P h ys i cs , U S T B , B e i j i n g l 0() 0 8 3 , P R C Z ) D e P a rt me n t o f P h 邓 ics , U S T B A BS T R A C T B y t h e rma l c y cl i n g t re a t me n t fr o m 1 2 0 0 ℃ t o r o o m t e m P e r a t u r e , a co n s id e ar b l e a ce l e r a t i o n o f C r d lfl 恤s i o n t o g ar i n b o u n d a r i es i n F e 2 5 C r 5AI a ll o y o c u r r e d d u e t o n o n e q u ilib r i u m C r e l e me n t s e g r e g a t i o n , a n d r es u l t e d i n t h e P er e i P it a t i o n o f rC 一 巧比 “ ` 一 P h a s e a t g r a i n b o u n d a r ies a n d w it h i n g r a isn : 面 e or me t e r s c a l e o f “ ` 一 P h a s e w a s o b s e r v e d a t t h e g r a i n b o u n d a r y , t h e P h a s e t ar n s fo r 力。 a t i o n r es u lt e d i n t h e fa il u er o f t h e a ll o y b y a m o d e o f t r a n s g r a n u l a r c l e a v a g e fr a ct u r e . K E Y WO R D S n o n e q u ili b r i u m s e g r e g a t i o n , e l e a v a g e fr a ct u r e , t h e amr l e y e li n g t r e a t - me n t , “ ` 一 P h a s e P r e c i P it a t i o n 由于 富铬 二 ’ 相 析 出 , 高铬 F e 一 C r 一 lA 合 金及 铁素体 不 锈钢 出现敏 感 的 4 75 ℃ 脆性 【’ 一 4 ] . : ` 相 为 b c 结构 、 a 。 = 0 . 2 8 7 2 一 0 . 2 8 7 8 nm . 相 当于含 C r 在 70 % 一 9() % 的 F e 一 C r 合 金 相 汇4 ] . 由于 弥散 的 : ’ 相 在 基体 中分 布 , 对 F e 一 Cr 合 金在 15 一 12 O h 内产生 时效硬化1 2 ] , 经 10 仪叉) h 退火 , 球化后 的粒子尺 寸扩 展 到 20 mn 范 围 . 通 常 在 更 高 的 温 度 下 , : ` 相 在 合金 中显 示 出较慢的溶解速 度「3 ] . 具有 b戊 结构 的 F e2 5 C r5 iA 合 金 , 作 为 电热元 件材料 得 到广泛 应用 . 合 金在 变温 、 氧化 性 气氛 中工 作 温 度 可 达 12 0 ℃ . 本 文 研 究 了变 温 热 循 环 中 eF 25 C 巧lA 合金 : ’ 相 沉 淀 过 程 , 以 及相 应合金脆化 带来 的失效 破 坏 . 1 实验过程 1望)4 一 10 一 2D 收稿 第一作者 男 58 岁 教 授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 04. 016

·388 北京科技大学学报 1995年No.4 合金化学组成为Fe-24.6%Cr-5.0%A1,并含有0.04%C以及0.05%RE(混合稀土元素). 从中8mm热轧合金盘条上截取研究的试样，经历1200℃保温1h固溶淬火后作为基态.热 循环处理工艺基元过程为：试样快速升温至1200℃保温3min后经4min空冷至室温，试样 硬度测量在Neophot--30显微镜上进行.由于合金中x'相1及a)为顺磁相，可以通过 磁扭矩法在557kA·m磁场下，测定中3mm×32mm试样室温饱和磁化强度变化，研究 相变过程；应用透射电镜(TEM)对合金微观结构进行分析；在扫描电镜(SEM)上研究 断口形态，并通过能谱分析(EDX)测定相的组成. 2试验结果 通过TEM观察，确定固溶处理后的试样为一单相合金，X射线衍射测定合金的点阵常 数4。=0.2886nm.图1给出合金显微硬度(H)与热循环次数对应关系，合金快速硬化发生 在经历64次热循环之间过程；循环80次后硬度增加36%达到HV300,这相当于经长期使 用后合金的状态，同时也接近于冷加工后合金硬度值(HV350), 在磁测量过程，所有试样均达到饱和状态·饱和磁化强度下降说明合金中有顺磁质x' 相或σ相出现，如图2所示，经64次热循环处理后饱和磁化强度相对值下降10%，其后出 现了一缓慢变化过程. 320 2.6 280 ● 2.5 240 2.4 2.3 200 0 16 32 48 64 80 0 16 32 48 64 80 热循环次数 热循环次数 图1合金的显微硬度(HV)与热循环次数关系图2合金饱和磁化强度相对值(B)与热循环次铁系 热循环激励合金晶粒不断长大，历经80次热循环处理后，晶粒大小（线切割法）从80μm 增大到1004m相应条件合金薄膜试样，TEM研究观察到在晶界附近第二相沉淀如图3(a) 所示.选区电子衍射（如图3b)表明择扰取向的新相具有bcc结构，为a。=0.29nm的x'相. x'相粒子大小在20~30m之间，近似垂直于晶界并以条状成长，在晶界一侧粒子分布在 200~250m空间范围.经热循环处理80次后，在合金晶粒内部伴随细小x'相（纳米 级)析出，显示出明显地周期性衬度起伏以及位错线缀饰现象，如图4所示· 以中10mm合金绕成电热元件，在1200℃至400℃长期热循环（工作时间延续1年） 后，研究表明由于合金中α：‘相在晶界不断沉淀并可聚集粗化，因而可观察到微米级大小x' 相分布在晶界上，其典型形态如图5(a)中所示.EDX分析给出x相铬含量在71%~78%，铝

· 哭8 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1卯5 年 N 仓 4 合金 化学组成 为 Fe 一 24 .6 % Cr 一 5 .0 % Al , 并 含有 .0 04 % C 以 及 0 .0 5 % R (E 混 合稀 土元 素 ) . 从 劳8 ~ 热轧合金盘条上 截取 研究 的试样 , 经 历 1 2 0 ℃ 保温 ht 固溶 淬 火后 作 为基态 . 热 循环处理工艺基元过程 为 : 试 样 快速 升温至 1 2 0 ℃ 保温 3 njI n 后 经 4浏n 空 冷 至 室 温 . 试样 硬度 测 量 在 N 由 p bo t 一 30 显微镜上 进行 . 由于合金 中 : ` 相 13 及 曰3] 为 顺磁相 , 可 以 通 过 磁扭矩法在 5 57 k A · m 磁场下 , 测定 中3 r n刀n x 32 r DI n 试样 室温饱和 磁化强 度 变化 , 研究 相变过程 ; 应用透射电镜 ( T EM ) 对合金微观结构进行分析; 在 扫描电镜 (s E M ) 上 研究 断 口 形 态 , 并 通过能谱分析 ( E D X ) 测 定相 的组 成 . 2 试验结 果 通过 T E M 观察 , 确定 固溶 处理后 的试样 为一 单相 合金 , X 射线衍 射测 定 合金 的 点 阵 常 数 a 。 = .0 2 8 6 nI . 图 1 给出合金 显微硬度 ( H 均 与热 循环次数对应关系 , 合金快速硬化发 生 在经 历 64 次热循环 之 间过程 ; 循环 so 次后 硬 度增 加 36 % 达 到 H V3 0 , 这 相 当于 经 长期 使 用后 合金 的状态 , 同时 也接 近于 冷加工 后合 金硬 度值 (H V3 50 ) . 在磁测 量过程 , 所有试样均达到饱和状态 . 饱和 磁化 强 度 下 降说明 合金 中有 顺磁 质 : ` 相 或 a 相 出现 . 如 图 2 所示 , 经 64 次热循环处理 后 饱和 磁 化 强 度 相 对值下 降 10 % , 其后 出 现 了一缓慢变化过程 . . 衬才 / - l } 卜汁 热循 环 次数 3 2 4 8 热循环 次数 64 80 圈 1 合金 的显徽硬 度 ( H 仍与热循环次傲关 系 圈 2 合金饱和磁化 强度 相对值 ( )B 与热 循环 次翻关系 热循环激励合金 晶粒不断长大 , 历 经 80 次热循 环 处理 后 , 晶粒大小 (线切割法 ) 从 80 拼m 增 大到 10 料nL 相应 条件合金 薄膜 试 样 , 住M 研 究 观 察到 在 晶界 附近 第二 相 沉淀如 图 3 ( a) 所示 . 选 区 电子衍射 (如 图 3伪) ) 表 明择扰 取 向的新 相具有 I X 刃 结 构 , 为 a 。 = .0 29 nl 的 : ` 相 . 戊 ` 相 粒子 大小在 20 一 30 nm 之 间 , 近 似垂直于 晶 界并 以条状成长 , 在 晶界一 侧粒子分布在 2X() 一 2 5O nm 空 间范 围 . 经 热 循 环 处理 80 次后 , 在 合金 晶粒 内部 伴 随细 小 : ` 相 (纳 米 级 ) 析出 , 显示 出明显地周 期性 衬度起 伏 以 及 位错线 缀饰 现象 , 如 图 4 所示 . 以 中10 ~ 合金 绕成 电 热元件 , 在 1 2 0 ℃ 至 40 ℃ 长期 热 循环 (工 作 时 间 延 续 1 年 ) 后 , 研究表 明 由于 合金 中 : ` 相 在 晶界不 断沉淀并 可 聚集粗化 , 因而 可观察到微 米级大 小 : ` 相 分布 在 晶界 上 , 其典型形 态如 图 义a) 中所示 . E D X 分析给 出 : 湘铭含量在 71 % 一 78 % , 铝

· 哭 8 · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 仓 N 4 5 1 合金 化学组成 为 e F 一 % 4 2 . 6 r C 一 A % 0 5 . l , 并 含有 .0 04 % C 以 及 0 .0 5 % R (E 混 合稀 土元 素 ) . 从 劳8 ~ 热轧合金盘条上 截取 研究 的试样 , 经 历 1 2 0 ℃ 保温 ht 固溶 淬 火后 作 为基态 . 热 循环处理工艺基元过程 为 : 试 样 快速 升温至 1 2 0 ℃ 保温 3 njI n 后 经 4浏n 空 冷 至 室 温 . 试样 硬度 测 量 在 N 由 p bo t 一 30 显微镜上 进行 . 由于合金 中 : ` 相 13 及 曰3] 为 顺磁相 , 可 以 通 过 磁扭矩法在 5 57 k A · m 磁场下 , 测定 中3 r n刀n x 32 r DI n 试样 室温饱和 磁化强 度 变化 , 研究 相变过程 ; 应用透射电镜 ( T EM ) 对合金微观结构进行分析; 在 扫描电镜 (s E M ) 上 研究 断 口 形 态 , 并 通过能谱分析 ( E D X ) 测 定相 的组 成 . 2 试验结 果 通过 T E M 观察 , 确定 固溶 处理后 的试样 为一 单相 合金 , X 射线衍 射测 定 合金 的 点 阵 常 数 a 。 = .0 2 8 6 nI . 图 1 给出合金 显微硬度 ( H 均 与热 循环次数对应关系 , 合金快速硬化发 生 在经 历 64 次热循环 之 间过程 ; 循环 so 次后 硬 度增 加 36 % 达 到 H V3 0 , 这 相 当于 经 长期 使 用后 合金 的状态 , 同时 也接 近于 冷加工 后合 金硬 度值 (H V3 50 ) . 在磁测 量过程 , 所有试样均达到饱和状态 . 饱和 磁化 强 度 下 降说明 合金 中有 顺磁 质 : ` 相 或 a 相 出现 . 如 图 2 所示 , 经 64 次热循环处理 后 饱和 磁 化 强 度 相 对值下 降 10 % , 其后 出 现 了一缓慢变化过程 . . 衬才 / - l } 卜汁 热循 环 次数 3 2 4 8 热循环 次数 64 80 圈 1 合金 的显徽硬 度 ( H 仍与热循环次傲关 系 圈 2 合金饱和磁化 强度 相对值 ( )B 与热 循环 次翻关系 热循环激励合金 晶粒不断长大 , 历 经 80 次热循 环 处理 后 , 晶粒大小 (线切割法 ) 从 80 拼m 增 大到 10 料nL 相应 条件合金 薄膜 试 样 , 住M 研 究 观 察到 在 晶界 附近 第二 相 沉淀如 图 3 ( a) 所示 . 选 区 电子衍射 (如 图 3伪) ) 表 明择扰 取 向的新 相具有 I X 刃 结 构 , 为 a 。 = .0 29 nl 的 : ` 相 . 戊 ` 相 粒子 大小在 20 一 30 nm 之 间 , 近 似垂直于 晶 界并 以条状成长 , 在 晶界一 侧粒子分布在 2X() 一 2 5O nm 空 间范 围 . 经 热 循 环 处理 80 次后 , 在 合金 晶粒 内部 伴 随细 小 : ` 相 (纳 米 级 ) 析出 , 显示 出明显地周 期性 衬度起 伏 以 及 位错线 缀饰 现象 , 如 图 4 所示 . 以 中10 ~ 合金 绕成 电 热元件 , 在 1 2 0 ℃ 至 40 ℃ 长期 热 循环 (工 作 时 间 延 续 1 年 ) 后 , 研究表 明 由于 合金 中 : ` 相 在 晶界不 断沉淀并 可 聚集粗化 , 因而 可观察到微 米级大 小 : ` 相 分布 在 晶界 上 , 其典型形 态如 图 义a) 中所示 . E D X 分析给 出 : 湘铭含量在 71 % 一 78 % , 铝

· 哭 8 · 5 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 仓N4 1 合金 化学组成 为 eF 一 42 .6 % Cr 5 一 0. % l A , 并 含有 .0 04 % C 以 及 0 .0 5 % R (E 混 合稀 土元 素 ) . 从 劳8 ~ 热轧合金盘条上 截取 研究 的试样 , 经 历 1 2 0 ℃ 保温 ht 固溶 淬 火后 作 为基态 . 热 循环处理工艺基元过程 为 : 试 样 快速 升温至 1 2 0 ℃ 保温 3 njI n 后 经 4浏n 空 冷 至 室 温 . 试样 硬度 测 量 在 N 由 p bo t 一 30 显微镜上 进行 . 由于合金 中 : ` 相 13 及 曰3] 为 顺磁相 , 可 以 通 过 磁扭矩法在 5 57 k A · m 磁场下 , 测定 中3 r n刀n x 32 r DI n 试样 室温饱和 磁化强 度 变化 , 研究 相变过程 ; 应用透射电镜 ( T EM ) 对合金微观结构进行分析; 在 扫描电镜 (s E M ) 上 研究 断 口 形 态 , 并 通过能谱分析 ( E D X ) 测 定相 的组 成 . 2 试验结 果 通过 T E M 观察 , 确定 固溶 处理后 的试样 为一 单相 合金 , X 射线衍 射测 定 合金 的 点 阵 常 数 a 。 = .0 2 8 6 nI . 图 1 给出合金 显微硬度 ( H 均 与热 循环次数对应关系 , 合金快速硬化发 生 在经 历 64 次热循环 之 间过程 ; 循环 so 次后 硬 度增 加 36 % 达 到 H V3 0 , 这 相 当于 经 长期 使 用后 合金 的状态 , 同时 也接 近于 冷加工 后合 金硬 度值 (H V3 50 ) . 在磁测 量过程 , 所有试样均达到饱和状态 . 饱和 磁化 强 度 下 降说明 合金 中有 顺磁 质 : ` 相 或 a 相 出现 . 如 图 2 所示 , 经 64 次热循环处理 后 饱和 磁 化 强 度 相 对值下 降 10 % , 其后 出 现 了一缓慢变化过程 . . 衬才 / - l } 卜汁 热循 环 次数 3 2 4 8 热循环 次数 64 80 圈 1 合金 的显徽硬 度 ( H 仍与热循环次傲关 系 圈 2 合金饱和磁化 强度 相对值 ( )B 与热 循环 次翻关系 热循环激励合金 晶粒不断长大 , 历 经 80 次热循 环 处理 后 , 晶粒大小 (线切割法 ) 从 80 拼m 增 大到 10 料nL 相应 条件合金 薄膜 试 样 , 住M 研 究 观 察到 在 晶界 附近 第二 相 沉淀如 图 3 ( a) 所示 . 选 区 电子衍射 (如 图 3伪) ) 表 明择扰 取 向的新 相具有 I X 刃 结 构 , 为 a 。 = .0 29 nl 的 : ` 相 . 戊 ` 相 粒子 大小在 20 一 30 nm 之 间 , 近 似垂直于 晶 界并 以条状成长 , 在 晶界一 侧粒子分布在 2X() 一 2 5O nm 空 间范 围 . 经 热 循 环 处理 80 次后 , 在 合金 晶粒 内部 伴 随细 小 : ` 相 (纳 米 级 ) 析出 , 显示 出明显地周 期性 衬度起 伏 以 及 位错线 缀饰 现象 , 如 图 4 所示 . 以 中10 ~ 合金 绕成 电 热元件 , 在 1 2 0 ℃ 至 40 ℃ 长期 热 循环 (工 作 时 间 延 续 1 年 ) 后 , 研究表 明 由于 合金 中 : ` 相 在 晶界不 断沉淀并 可 聚集粗化 , 因而 可观察到微 米级大 小 : ` 相 分布 在 晶界 上 , 其典型形 态如 图 义a) 中所示 . E D X 分析给 出 : 湘铭含量在 71 % 一 78 % , 铝