D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1980.02.017 北京钢铁学院学报 1980年第2期 晶界微量0相对25Ni-15Cr-Fe基 高温合金脆化效应的影响 王迪徐志超倪克铨 高温合金教研室 陈国覓谢锡善 摘 要 本文简要报导了15Cr-25Ni-Fe基高温合金在550~650°C长期时效过程中晶界 微量口相析出引起合金脆化效应的研究结果。铁基合金形成σ相的敏感性较大，过去 的研究工作得知，晶内呈片层状大量析出的σ相会严重危害合金的强度和塑性。但 对晶界微量σ相析出所造成的影响还认熾不足。从大量的实验研究结果得出，在 15Cr-25Ni-Fe基合金中晶界析出微量o相(~0.02%)导致合金冲击韧性明显降 低，断口从串晶转变为沿晶断裂。合金的脆化程度与反映晶界口相密集程度的特征 量有简单的线性关系。通过相控制合金成分和细化Y晶粒可以清除和降低·相析出 所引起的脆化现象。 当前，设计和使用高温合金时，除了要考虑它的强度之外，如何改善合金的塑性，已逐 渐成为广为重视的问题。实践表明，往往在合金强度足够的条件下，由于某种低塑性或脆化 现象的产生而造成合金使用时的致命弱点。引起合金脆化的原因很多，其中σ相析出引起合 金的脆化特别引人注目。众所周知，σ相是个硬而脆的相，较多数量的存在会造成合金塑性 和强度的下降。在过被元素系的高性能复杂成分的超级合金中，确实容易形成·相〔1门。而 且随合金的铁含量增多，形成o相的敏感性增大〔2]。对于Ni-Cr-Fe基多组元的高温合金来， 说，这是个应予重视的问题。 Ni-Cr-Fe基复杂成分合金在高温长时使用的情况下，组织不稳定，容易析出一些金属 间化合物相而造成合金的脆化。Sims[2]、SullivanC3]、Decker〔4)等人的研究报告指出， 这些徽量的金属间化合物可以是TCP相(o相、Laves相μ相，X相及G相)等。他们的报告 虽然指出了这些徽量相的析出会改变合金的性能，改变的程度与析出相的数量、形态和分布 有关。但对其危害性还不甚清楚，有些定量提法还值得研究。例如1971年Sul1ivan[3]提 到“铁基（含Fe)高温合金具有析出c相和Lavesi相为代表的若干微量相的倾向。这些相的 存在，因其自身的机械特性，再加上伴随而来的基体和晶体中化学成分的改变，就会改变合 金的性能。改变的程度也与所涉及的相的总量、形态和分布有关。现在还不清楚它们存在会 产生什么危害。”该文还提到“在Ni-Cr-Fe中增加硅，可促进o相形成，而o相数量≥5% 时，室温冲击性能则严重下降”。 44
北 京 栩 铁 学 院 学 报 年第 期 晶界微量 相对 一 一 基 高 温 合 金 脆 化 效 应 的 影 响 离沮合金教研室 王 迪 徐志超 倪 克锉 陈国夏 谢锡 善 摘 要 本文 简要报导 了 一 一 墓 高温合 金在 一 长 期时效过 程 中晶界 微 “ 相 析 出引起合 金脆 化 效应 的研 究结果 。 铁 墓合 金 形 成 相 的敏 感性较大 ， 过 去 的研 究工 作得 知 ， 晶内呈片层 状大量析 出的 相 会严 重 危害合 金 的强 度 和 塑性 。 但 对 晶界微量 相 析 出所造成 的形响还认 傲 不 足 。 从大 量 的实验研 究结果得 出 ， 在 一 一 墓合 金 中晶界析 出微 量 相 。 导 致合 金 冲击 韧 性 明 显 降 低 ， 断 口 从 串晶转变为沿 晶断裂 。 合 金 的脆 化程度与反映 晶界 相 密集程 度 的特征 有筒单的线性关 系 。 通 过相 控 制合 金成分 和 细 化 晶粒 可 以清 除和 降低 相 析 出 所 引起 的脆 化现 象 。 当前 ， 设 计和 使 用高温合 金 时 ， 除 了要考虑 它 的强度 之外 ， 如何改善合 金的 塑性 ， 已逐 渐 成为广为重视的 问题 。 实践表 明 ， 往往 在合 金强度足够 的 条件下 ， 由于某 种低 塑性 或 脆化 现象的产生而造成合 金使用时的致 命弱 点 。 引起合 金脆化的原 因很 多 ， 其 中 相析 出引起 合 金的脆化特别 引人 注 目 。 众所周 知 ， 相是个硬 而脆的 相 ， 较多数量的 存在会造成 合 金塑性 和强度的下降 。 在过渡 元 素系 的高性能复 杂成分 的超 级合 金 中 ， 确实容易形 成 相 〔 〕 。 而 且随合 金的铁 含量增多 ， 形成 相的敏感性增大〔 〕 。 对 于 一 一 基多组 元的 高温合 金来 说 ， 这 是个应予重 视的 问题 。 卜 一 基复杂成分合 金在高温长时使用 的情 况下 ， 组 织不 稳定 ， 容 易析 出一些 金属 间化合 物相 而造成合 金的脆化 。 〔 〕 、 〔 〕 、 〔续〕等人 的研 究报 告指 出 ， 这些微 量 的金属 间化合 物可 以 是 相 相 、 相 协相 、 相 及 相 等 。 他 们 的 报告 虽然指 出了这 些微 量相的析 出会改变 合 金的性能 ， 改变 的程度 与析 出相 的 数量 、 形 态和 分布 有关 。 但对 其危害性还不甚 清楚 ， 有些定量 提法还值得 研究 。 例 如 年 〔 〕 提 到 “ 铁 基 含 高温合 金具 有析 出。 相 和 相 为代表的若 干微 量相的 倾 向 。 这 些相 的 存在 ， 因其 自身的机械特性 ， 再加 上伴随而来的 基体和晶体中化学成分的改 变 ， 就会改 变 合 金的性能 。 改变 的程度 也 与所涉及的相 的总量 、 形态 和分布有关 。 现在还不 清楚它 们存在会 产生什 么危害 。 ” 该 文还提到 “ 在 一 一 中增 加 硅 ， 可 促进 。 相 形 成 ， 而 相 数量 之 时 ， 室 温冲击性能则严 重 下降 ” 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1980．02．017
我们对25Ni-15Cr-Fe基高温合金a相析出规律及远远低于5%数量所造成的合金脆化 问题进行了比较细致的研究。在此基础上提出了复杂多元铁基高温合金判断σ相析出倾向大 小的相计算方法[5)。得出这种类型铁基高温合金的σ相析出量为0.02%，使室温冲击韧性 值从原来的11公斤·米/厘米降为7公斤•米/厘米2。当σ相量达到~0.7%，冲击韧性值猛 降到只有2公斤·米/厘米的低水平。即使σ相以通常认为危害较小的颗粒状析出也仍然会造 成合金明显的脆化。这一现象是上列文献中“5%含量”所不能说明的。其原因在于一般的 研究是集中σ相在晶内以大片状或针状普追析出时所造成的脆化。本文将着重讨论微量σ相 沿晶界析出对铁基高温合金塑性的影响及其作用机理。 一、试验方法 用金相、化学相分析、电子衍射及x-射线衍射等方法研究25Ni-15Cr-Fe基合金（基本 合金为GH132)▣相的析出规律，测定合金在650℃长期时效过程中σ相的析出情况及所引 起的脆化效应。由于工业生产的GH132合金g相析出量甚少，例如25.9Ni-15.36Cr-2.24 Ti-0.19A1-0.55Si-Fe合金，980℃/1小时/油冷处理后，650℃时效1000、3000和6000小 时，o相析出量分别为0.0132%、0.39%和0.653%。因此，根据相计算方法调整合金的镍、 铬、铝、钛、硅等有关组元的含量，经650℃长期时效后得到范围较宽的σ相析出景（见表 1),便于研究σ相的析出规律和引起合金脆化的程度。研究合金脆化效应的特征力学指标 主要采用敏感方便的冲击韧性试验，並配合以不同速度的拉伸试验。用电子扫描和电子探针 进行断口分析。 表1 25Ni-15Cr-Fe基合金的△N",值计算结果与650℃、1000小时 时效后o相的析出数量（合金先经980℃/1小时/油冷+720℃/ 16小时/空冷处理) 调整的组元含量，% 炉 ·号 0相 △N'V 析出量 镍 铬 钛 铝 硅 % 62 24.35 16.86 2.04 0.45 0.50 -4.04 1.52 61 25.55 15.91 2.00 0.53 -1.95 0.317 60 24.85 14.99 2.02 0.36 0.54 -1.53 0.013 523 2.25 0.32 0.53 -1.41 0.056 110 25.90 15.36 2.24 0.19 0.545 -0.93 0.0132 63 25.85 14.86 2.12 0.38 0.51 -0.75 0.015 13 25.90 15.20 2.07 0.20 0.465 -0.07 0.013 66 27.00 13.85 1.50 1.00 0.13 +1.64 无 64 27.25 13.73 2.02 0.39 0.46 +2.02 无 65 27.10 1.76 0.48 0.18 +2.74 无 69 27.25 1.61 0.56 0.11 +3.21 无 45
我们对 一 一 基 高温合 金 相析 出规律及远远 低于 数量所 造成的合 金脆化 问题进行 了比 较细致 的研究 。 在此 基础 上提 出了复杂多元 铁 基 高温合 金判断 相析 出倾 向大 小的相计 算方法〔 〕 。 得 出这 种类型 铁 基 高温合 金 的 。 相析 出量 为 ， 使 室 温冲 击韧性 值 从原 来的 公斤 米 厘 米 ，降为 公斤 。 米 厘 米 。 当 相 量达 到 ， 冲 击韧性值猛 降到只 有 公斤 · 米 厘 米 的低水平 。 即 使。 相 以 通 常认为危害较小的颗粒状析 出也仍 然会造 成合 金 明显 的脆化 。 这一现象是上列 文 献 中 ，’ 含量 ” 所不能说 明的 。 其原 因在于 一般 的 研究是 集中 相 在晶 内以 大片状或针状 普遍析 出时所造成的脆化 。 本文将着重讨 论微 量 相 沿晶 界析 出对铁 基 高温合 金塑性的影响及 其作用机理 。 一 、 试验方法 用 金相 、 化学 相 分析 、 电子 衍射 及 一射线 衍射 等方法研究 一 一 墓合 金 墓木 合金为 。 相 的析 出规律 ， 测定合 金在 ℃ 长期时效 过 程 中 相 的析 出情 况 及所 引 起的脆化效应 。 由于 工业 生 产的 合 金 。 相析 出量甚 少 ， 例 如 一 一 一 一 一 合 金 ， ℃八 小时 油冷 处理 后 ， ℃ 时效 、 和 小 时 ， 相析 出量 分 别为 、 和 。 因此 ， 根据相 计 算方法调 整合 金 的镍 、 铬 、 铝 、 钦 、 硅 等有关组 元 的 含量 ， 经 ℃ 长 期 时效 后得 到范围 较宽 的 相析 出最 见 表 ， 便于研究 相 的析 出规律 和 引起 合 金 脆化的 程度 。 研究合金 脆化效 应的特 征 力学 指标 主 要采 用敏 感 方便 的冲 击韧性试验 ， 业 配合 以不 同速度的 拉伸试验 。 用 电子 扫描 和 电子 探针 进行断 口 分析 。 表 一 一 基合 金 的△ ‘ 值计 算结果 与 ℃ 、 小时 时效后 相的析出数量 合金先经 ℃ 小 时 油冷 ℃ 小时 空 冷处理 护 · 号 调 整的组 元 含量 ， △ ‘ ， 相 析 出量 镍 铬 钦 铝 硅 任口行八‘︸丹通‘ 匕口内山任上丹人了月 … 乙曰口」甘，上，”上 一 甘自只︸八口︺内内甘 ，’ … 八甘上﹄︸ ‘”勺，︶﹃︸ ‘勺，月甘月 … 曰‘，自 匕月甘甘一了‘月，甘内了 … 曰，上， 匕九卜」八工弓 … ，立 口勺口 ， 七‘目︵口 ︺八氏匕工 ‘土山上人， … 自一山‘曰，勺厅行月户匀阳月才了了 一 一 无 ‘ 无 无 无
二、试验结果 1.25Ni-l5Cr-Fe基合金析出的o相为四方晶系的铬铁型，並溶有一些其它元素，化 学组成为：Fe0.s。Cr。.33Ni。.o6gTi。.0052M。.g42,a=8.782A,c=4.613A,c/a= 0.52。析出温度约为650~300℃，析出峰在750~800℃之间。合金在650℃长期时效后是否 有σ相析出，与合金的成分有关。此类合金的σ相是沿晶界呈颗粒状析出（如图1所示）。 0 (%) (%) ak 1o a 6 0:6 03 4 1000 5000 6000 时效时间（小时） 图1沿晶界析出的σ相(10% 图2110炉号合金650℃长期时效后0相 醋酸镉电解浸蚀) 的析出量与室温ax值的关系 2,25Ni-15Cr-Fe基合金的△N',值为负值时，650℃长期时效后显示出明显的脆化现 象，图2所示为110炉号的试验结果。合金冲击韧性值大幅度下降所表现出来的脆化效应是 由于σ相析出造成的，这可以由断口分析所证实。无σ相析出时冲击断口呈现出典型的串晶 韧窝断口（图3），而晶界有少量的σ相析出则转变为典型的沿晶断口（图4），同时伴随 冲击韧性值的明显下降。从图2可看出，合金经650℃、6000小时时效后，σ相析出量也不 过仅仅0.635%，但冲击韧性值已降到只有2.4公斤·米/厘米2。足以说明a相沿品界析出造 成的危害程度，尽管σ相的析出量並不很多，但由于在晶界的偏聚和密集，大大改变了合金 的力学性能。 图3无σ相析出的合金呈现出 图4晶界有σ相析出的合金 串晶韧窝断口 呈现出沿晶断口 3.根据相计算的简化公式【s}△N,=Ni-3Ti-3.5A1-1.7Si-0.9Cr-4.7,计算出的 △N'v值与650℃、1000小时时效σ相的析出量和引起合金脆化程度的关系如图5所示。试验 结果说明，通过合金成分的控制，得出的△N'v值为正值时，合金经650℃长期时效后，没有 46
二 、 试验结果 一 卜 基 合金 析 出的 相为 四 方晶 系的铬 铁型 ， 业 溶有一些 其它元 素 ， 化 学组成为 。 。 。 二 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ ， 人 ， 二 一 人 ， 。 。 析 出温度 约为 知。 ℃ ， 析出峰在 ℃ 之 间 。 合金 在 ℃ 长 期 时效后 是否 有 相 析出 ， 与合 金 的成 分 有关 。 此 类合金 的 相 是 沿晶 界呈颗 粒状 析 出 如 图 所示 。 兴国 ‘ 、兴 几爪众 · 谬 、 ， 厂 廿 尸 份 飞 广 。 ，口 少 ‘ 、 斌 ， · 、 · 、 补、一交 ， ， “ ， 丫， 夕一 乓 、 “ “ 水拓忿 上 令 冷 、 户 卜 、 、 、 、 ，、 、 、 口口 吞口口口 时效时 间 小时 图 浴 晶界析 出的。 相 醋 酸锡 电解 浸蚀 图 炉号合 金 ℃ 长 期时效 后 。 相 的析 出量 与室 温 值 的关系 一 一 基 合金的 △ ，， 值为负值 时 ， ℃ 长期 时效后显示 出 明显 的脆化现 象 ， 图 所示为 炉 号的试验 结果 。 合金冲 击韧性值 大幅度下 降所表 现出来 的脆化效 应 是 由于 。 相 析 出造成 的 ， 这可 以 由断 口 分析所证 实 。 无 相析出时冲 击断 口 呈现 出典型的 串晶 韧 窝断 口 图 ， 而晶 界有少量 的 相析出则 转变为典型 的沿 晶断 口 图 ， 同时伴随 冲 击韧性值的 明显下 降 。 从 图 可 看 出 ， 合 金经 ℃ 、 小时 时效后 ， 。 相 析 出量 也不 过仅仅 ， 但冲 击韧性值 已降到只 有 公斤 ， 米 厘 米 “ 。 足 以 说 明 相 沿 品 界析 出造 成的危害程度 ， 尽 管 相 的析 出量 业不 很 多 ， 但 由子在晶 界的偏聚和 密 集 ， 大大改变 了合金 的 力学性 能 ， 图 无 相 析 出的合 金 呈现 出 串晶韧 窝断 口 图 晶界有 相 析 出的合 金 呈现 出沿 晶断 口 根据相计 算的简化公式 「“ △ ’ ， 一 卜 一 一 一 ， 计 算出的 △， 值 与 ℃ 、 小时时效 相的析出量 和 引起合金脆 化程度的关系 如 图 所示 。 试 验 结果说 明 ， 通过 合金 成分的控 制 ， 得 出的△ 与值为正 值 时 ， 合金 经 ℃ 长期 时效后 ， 没 有
σ相析出，完全不出现脆化现象。当△Nv值为负值时，由于g相析出引起合金脆化，△N”v值 的绝对值愈大，引起合金的脆化程度也愈严重。这一脆化现象在室温拉伸塑性（δ、中%） 也表现出来。 -△ak 么6(%) (%) 卡4 +2 △N: 图5△N'v值与650℃、1000小时时效后g相析出量和脆化程度的关系 (△ax为同一合金正常热处理后与再经650℃、1000小时时效的ax差 值，图中)为该合金正常热处理后已有σ相析出，故此点低于无 a相时应有的△ax值) 4. 研究使用的试料包括工业生产的这类铁基合金(GH132)1小型感应炉冶炼的试 验合金，得到的由于σ相在晶界微量析出引起 合金脆化规律是一致的。但由于两种试料的晶 ak 粒大小不同（前者相当于ASTM的7级晶 粒，后者相当于ASTM的9级晶粒)，σ相析 ASTM9级 出引起合金脆化程度也不一样，在相同σ相析 来 出量的情况下，大品粒的脆化程度较之小晶粒 ASTM7级 要严重（图6）。这进一步说明a相在晶界分 0-3 06 2 布造成合金脆化的本质。减小晶粒度就加大了 c相折出暨(%) 晶界的总面积，对于相同的σ相析出量来说， 图6650℃长期时效后σ相的析出对于不 在晶界上分析的密集程度就降低了，减弱了合 同晶粒大小的合金引起的脆化现象 金的脆化效应。从以上试验结果得到启发，·设法测定出能表示晶界上σ相析出情况的特征量 a k 试验合金 6 米 工业合金 奇 0.4 o相演盖Y品界的轻度(%) 10 20 30 0 o相颗粒间距：() 一表示σ相复盖Y晶界程度与ax的关系 一一表示σ相颗粒间距与ax的关系 图7表示晶界上σ相析出情况的特征量与合金脆化的关系
相析出 ， 完全不 出现脆化现象 。 当八 ‘ 值 为负值 时 ， 由于 相析 出引起 合金 脆化 ， △ ’ 值 的绝对 值愈大 ， 引起 合金 的脆化程度 也 愈严 重 。 这 一脆 化现象 在 室 温拉伸塑性 乙 、 冲 也表现 出来 。 △住 之曰 梦 。 沪产 沪夕 一 一 万 兴、图 ‘ ·令上 冰 于之 ·之 一 图 △ 与值 与 ℃ 、 小 时时效 后 相 析 出量 和脆 化程 度 的关 系 △。 ‘ 为 同一 合 金正 常热处 理 后 与再 经 ℃ 、 。 小 时时效 的“ 、 差 值 ， 图 中 为该合 金 正 常热处 理 后 已 有 相 析 出 ， 故此点低 于 无 相 时应 有的△ 值 研究 使用 的试料包括工业 生 产的这 类铁 基 合金 和 小型 感应 炉冶炼的试 验 合金 ， 得到 的 由于 相在 晶界 微 量 析 出引起 合金 脆化 规律是一致 的 。 但 由于 两种 试料 的晶 粒 大小不 同 前者 相 当于 的 级 晶 粒 ， 后 者相 当于 的 级 晶粒 ， 。 相 析 出引起 合金 脆 化程度 也不 一 样 ， 在相 同 相 析 出量 的情况下 ， 大晶粒 的脆 化程度较之 小晶粒 要严 重 图 。 这进 一步 说 明 相在 晶界分 布造成 合金 脆 化的本质 。 减 小 晶粒度 就 加大 了 晶界的总面 积 ， 对 于 相同 的 相析 出量 来说 ， 在晶界上分析的密集程度 就 降低 了 ， 减弱了合 八 万之 法产川 ， ， 长国、兴 。火令呵 。 相析出班 图 ℃ 长 期 时效后 相 的析 出对 于 不 同 晶粒 大 小 的合 金 引起 的脆 化现 象 金的脆化效应 。 从 以 上试 验 结果得 到启发 ， 设法 测定 出能表示 晶 界上 相析 出情 况 的特 征量 君‘ 夕兴呆图、 ·火令 了 吞之 办 乡 口 冲 相 滚 盖 丫 品 界的程 度 。 相 颗粒伯 距 － 表 示 相 复盖 晶界程 度 与 的关 系 一 一 表 示 相 颗粒 间距 与 的 关 系 图 表示 晶界上 相 析 出情 况 的特征 量 与合 金脆 化 的 关 系
来反映合合金的脆化现象，测定结果与设想相吻合（见表2与图7）。图7反映出这些特征 量与合金的脆化程度成直线关系，沿晶界析出的σ相量愈多，则口相复盖Y晶界的程度就大， 单位晶界长度上σ相的颗粒数就多，σ相的颗粒间距就愈小，引起合金的脆化程度就愈严 重。所以通过控制合金的晶粒大小可以抑制σ相析出引起的合金脆化效应。 此外还得出，改变拉伸试验的拉伸速度(2毫米/分~12000毫米/分)並不影响0相析 出引起合金脆化的程度。 表2反映Y晶界上。相析出特征的测定结果（经980℃/1小时/油冷 +720℃/16小时/空冷+650℃长时时效) 650℃ Y晶粒的 σ相颗粒：单位Y晶界长σ相复盖σ相的σ相的 备 为 号 时效 时间 平均直径 的平均直度上σ相个数Y晶界的颗粒间距析出数量 (小时) (毫米) 径（毫米） (个/毫米) 程度(%)（毫米） (%) 注 110 6000 0.0288 0.001060 366 0.388 0.001672 0.653 工业 110 3000 0.030 0.001027 240 0.264 0.00307 0.423 生产的 合金 523 1000 0.031 0.000965 207 0.1997 0.00387 0.056 13 1000 0.0257 0.00088 86.5 0.076 0.0107 0.013 62 1600 0.0138 0.001098 426 0.468 0.00152 1.52 试验 61 1600 0.0240 0.000794 404 0.320 0.00168 0.317 合 62 0 0.0174 0.000737 49 4 0.0362 0.0197 0.082 63 1600 0.0150 0.000540 55 0.0298 0.0176 0.015 三、分 析 σ相与Y基的晶体结构完全不同，σ相在晶界以非共格方式析出，而且点阵常数大，与 Y基体保持有较高的界面能。另外，σ相本身硬而脆，形变不易与基体协调。所以在应力 作用下σ一Y相界面容易成为裂纹源。由于基体具有良好的塑性，使相界面上的裂纹逐 渐扩大时形成孔洞，直至断裂。图8表示出这种由于 ·相沿晶界析出而形成低塑性沿晶界韧性断裂的特征， 晶界上的相愈密集，基体的强度愈高，孔洞的尺寸 也愈小。在沿晶界断裂的冲击断口上能够清楚地看到 2miniad 这一断裂特征（见图9(a)、(b)),0相存留在晶界 面上的孔洞（韧窝）的底部，由图9(b)可以清晰地 ● 看到过度的应力集中使脆性的σ相碎断。σ相在晶界面 上分布的密集程度大，韧窝的尺寸就小，而且变浅，此 时引起合金的脆化程度也比较严重。图10用电子扫描分 析的结果证实韧窝底部的颗粒是σ相（图10中由于x~射 线空间发射区域大于电子束直径，因此扫描的强度峰值 图8沿晶界韧性断裂模型 宽度大于σ相的实际尺寸，0相颗粒的平均尺寸约为1 微米)。 48
来反映合 合金的脆化现象 ， 测定 结果 与设想 相吻 合 见 表 与图 。 图 反映 出这些特征 量 与合 金的脆化程度成直线 关系 ， 沿晶 界析 出的 相量 愈多 ， 则 相 复盖丫 晶界的程度就大 ， 单位 晶 界长度 上 。 相 的颗 粒 数就多 ， 相的颗 粒 间距 就愈 小 ， 引起 合金 的脆 化程 度 就愈严 重 。 所 以 通过控 制 合 金的晶粒 大小可 以 抑制 相析 出引起 的合金脆化效应 。 此 外还得 出 ， 改 变 拉伸试验的 拉伸速度 毫米 分 毫 米 分 立〔不 影响 相析 出引起 合金 脆 化的程度 。 表 反 映丫晶 界上 相析 出特征的测定结果 经 ℃八 小时 油冷 ℃ 小时 空 冷 “ ℃长 时 时效 ℃ 炉 单位 丫 晶界长 。 相复盖 度 上 相个数 丫 晶 界的 小 时 相颗拉 的平均 直 径 毫米 相 的 相 的 备 个 毫米 程 度 析 出数量 时 效间 工业 生产的 合金 任」比 试验 合金 刻一训 … ︷ … 三 、 分 析 相与丫 基的 晶体结构完全不 同 ， 相在晶界以 非共格方式析 出 ， 而且 点阵 常数大 ， 与 基体保持有较高的界面能 。 另 外 ， 相本身硬而脆 ， 形变不 易与基体协调 。 所 以 在应 力 作用下 口 一丫 相 界面 容易成为裂纹源 。 由于 基 体 具有良好 的塑性 ， 使 相界面 上的裂纹逐 渐扩大 时形成孔 洞 ， 直至断裂 。 图 表示 出这种 由于 相 沿 晶界析出而形成低塑性沿晶界韧性断裂的特征 ， 晶界上的 相愈密集 ， 基 体的强度 愈高 ， 孔 洞的 尺 寸 也 愈 小 。 在 沿 晶界断裂的冲击断 口 上能够清楚地 看 到 这一断裂 特 征 见 图 、 ， 相存留 在晶界 面 上的孔 洞 韧 窝 的底 部 ， 由图 可 以 清晰地 看 到过度 的应 力集中使脆性的 相碎 断 。 相 在 晶界面 上分 布的 密集程度 大 ， 韧 窝的尺寸就 小 ， 而且变 浅 ， 此 时 引起 合金的脆化程度 也 比 较严重 。 图 用 电子 扫描分 析的 结果证实韧窝底部的颗粒是 口 相 图 中由于 一射 线空间发射 区域 大于 电子 束直径 ， 因此 扫描 的强度峰值 宽度大于 相 的实际尺 寸 ， 。 相颗粒 的平均尺寸约为 微米 。 图 沿 晶界韧性断裂模型
(a) (b) 图9晶界面上韧窝中的o相 50 900 390 0 10 图10沿晶断口韧窝中析出相的C「K。x-射线的扫描强度 σ相的密集程度与引起合金脆化的程度可以用下式表示 :=-A+B 式中：Qx一合金的室温冲击韧性值， ∑！一被σ相复盖的晶界长度， 工L一一晶界总长度， A一与合金的晶粒大小和σ相的本质有关的系数， B一合金无σ相析出时的室温冲击韧性值。 工业生产的GH132合金（品粒度约为ASTM7级）A=19.6,试验合金)晶粒度约为ASTM 9级)A=12.5。 综合以上情况可以得出抑制σ相析出引起合金脆化的有效措施。一个是在允许范围内调 整合金的成分，控制△N"'ν值为正值或接近于0，这样在长期时效后晶界就没有或尽量少的 49
图 晶界 面 上 韧窝 中的 相 图 沿 晶断 口 韧 窝中析 出相 的 。 一 射 线 的扫描 强 度 相 的密 集程度 与引起 合金脆 化的程 度可 以 用下 式 表 示 艺 。 “ “ 一 八 一 宫七个 式 中 － 合金 的 室 温冲 击韧性值 ， 乞 － 被 相 复盖 的 晶 界长度 乙 － 晶 界总 长度 ， － 与合金 的 晶粒 大 小和 相 的本质 有关的 系 数 － 合 金 无 相 析 出时的 室 温冲 击韧 性 值 。 工 业 生 产的 合金 晶粒 度 约为 级 ， 试 验 合金 晶粒 度 约 为 级 。 综 合 以 上 情 况可 以 得 出抑制 相析 出引起 合 金 脆 化 的 有效措施 。 一 个是 在允 许 范围 内调 整合金 的成分 ， 控 制 △ ， 值 为 正 值或 接近 于 。 ， 这 样在 长 期 时效后 晶 界就 没 有或尽 最 少的
σ相析出，得到如图5所示虚线以左的不脆化或轻微脆化的效果。另一个是晶粒细化的作用。 一方面细晶粒本身就提高冲击韧性值，另一方面是晶粒细化后在相同数量的σ相析出情况下 降低了σ相在晶界分布的密集程度，缓合合金的脆化效应。例如晶粒从ASTM的2~3级减 小到7级左右，其晶界长度几乎增加一个数量级。特别是在超细晶粒状态下，是抑制晶界σ 相析出引起合金脆化的有效途径。 ,四、结 论 1.25Ni-l5Cr-Fe基合金在高温长期时效有析出c相的倾向，g相沿晶界呈颗粒状析 出。 2.沿晶界微量的σ相析出(0.02%)就会引起合金室温冲击韧性值的明显下降，0相 是此类合金在长期时效过程中引起脆化的主要原因。 3.σ相沿晶界析出，使冲击断口从串晶断裂转变为沿晶断裂。晶界上σ相分布的密集 程度愈高，引起合金脆化的程度愈严重。 4.运用相计算方法控制合金的△N'v值为正，以及细化晶粒，是抑制合金脆化的有效 途径。 上钢五厂、大冶钢厂、上海汽轮机广参加了有关工作，特此致谢。 参考文献 (1)《Trans.TMS-AIME》1968.Vol242,P2399. (2)The-Superalloys.Ed by C.T.Sims and W.C.Hasel,John wiley Sons New york.(1972). (3)C.P.Sullivan and M.J.Donachic:Microstructures and Mechanical properties of Iron-Base(-containing)Superalloys.Metals Engi- neering Quartely )1971.Vol.11.No.4.P1. (4)R.F.Decker and S.Floreen Precipitatien from Iron-Base Allays. Eds by G.R.Speich and J.B.Clark,Gordon and Breach.New york. (1965).P69. 〔5)北京钢铁学院高温合金教研室：《相计算法在铁基合金中的应用》《金属学报》 Vo1.14,No.4.(1978).P.440. 50
相析 出 ， 得到如 图 所示虚 线 以 左的不 脆化或轻微脆化的效果 。 另一 个是晶粒 细化的作用 。 一方面 细 晶粒本身就 提高冲 击韧性值 ， 另一方面 是晶粒 细 化后在相 同数量的 相析 出情况下 降低 了 相 在晶 界分 布的密 集程度 ， 缓 合 合金 的脆化效应 。 例如晶粒 从 的 级减 小到 级 左右 ， 其晶 界长度 几乎增加一个数量 级 。 特 别是在超 细 晶粒状 态下 ， 是抑制 晶 界 。 相 析出引起 合 金脆 化的有效途 径 。 四 、 结 论 一 卜 。 基合金 在高 温长期 时效 有析茁 。 相的倾 向 ， 。 相 沿晶界呈颗粒 状析 出 。 沿晶界微量 的 相 析 出 就会引起合金 室 温冲 击韧性值的 明显下 降 ， 相 是 此 类合金在长 期时效过程 中引起脆化的主 要原 因 。 相 沿 晶 界析 出 ， 使冲 击断 口 从 串晶断裂 转变为沿 晶断 裂 。 晶界上 。 相 分布的密 集 程度愈 高 ， 引 起合金 脆化的 程度 愈严重 。 运 用相 计 算方法控 制 合金的 △， 值为正 ， 以 及细化晶粒 ， 是抑制合金 脆 化的 有效 途 径 。 上钢五厂 、 大冶 钢厂 、 上海汽轮 机厂 参加 了有关工 作 ， 特此致谢 。 参 考 文 献 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 《 一 》 ， 吐 ， 一 ， 及 一 一 一 》 一 一 ， 北京钢铁学院高 温合金 教研 室 《 相计 算法 在铁 基 合金 中的应 用 》 《 金 属 学报 》