D01:10.13374/i.issnl001053x.2011.02.0①6 第33卷第2期 北京科技大学学报 Vo133 No 2 2011年2月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Feb 2011 中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 李华杰 武会宾唐荻 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心.北京100083 通信作者，Emal上huajie2008@ho9cn 摘要通过光学显微镜、透射电镜和化学相分析等方法研究了中国低活化马氏体(CLAM)钢的组织特征，析出行为及其与 性能的关系.结果表明：CLAM钢淬火态组织为马氏体，760℃回火后组织转变为细小均匀的索氏体.其室温下的抗拉强度为 697MP屈服强度为652MPa延伸率为244%：600℃时抗拉强度为453MP:屈服强度为452MP?延伸率为236.韧脆转 变温度为一60℃.CAM钢中的析出物主要为30~70m的M,C,和T4C,这些主要分布在晶界且少量弥散分布于晶内 的析出物是强化CAM钢的主要方式之一. 关键词马氏体钢：力学性能：微观组织：强化 分类号TG14274 M icrostructure properties and strengthen ingmechanism ofCh ina low activation m ar tensitic steel LIHua-je.WUHuibin TANG Di Na tiom l Engineering Research Center of A dvanced Rolling University of Scence and Technobgy Be ijng Beijng100083 Chna Correspond ng author Email li huajie008@yahoo cn ABSTRACT The relationship among the micos tructure precipitation behavior and mechanical properties of China pw actiation m artensitic CIAM)steel was sudied by optical microscopy trans ission elctron microscopy(TEM)and chemical Phase analysis It is shown that he quenchedm crostucure ism arkensite butafer beng tmpered at760'C hemicrostructure transfoms nto fner andmore hanogeneous sorbie The ensile streng yeld strength and epngaton of the steel at room temperaure are 697 MPa 652 MPa and 244.respectivey however at600C their vajes are 453MPa 452MPa and 23%,respectively The ductilbritte transition temperaure(DBTT)is-60C.The second Phase particles sized fiomn 30 070 m many aeMC and Ta C N)with FCC crystal structures The partices mostly distributed at grain boundaries but fw dispersivey n grains can Produce precpitaton strengthening as he key strengthening mechan ism of he steel KEY WORDS marensitic seel mechan ical properties microstucture strengthening 低活化铁素体马氏体钢(reduced-activation 为了赶上国际聚变堆研究的步伐，适应即将建 feriticmarensitic RAIM)具有较低的辐照肿胀和 造的国际热核聚变实验堆(R实验包层模块 热膨胀系数，较高的热导率等优良的热物理、力学性 (TBM和未来动力示范堆发展的需要，从2001年 能，以及相对较为成熟的技术基础，因此被普遍认为 开始，我国开展了对中国低活化马氏体钢(Chna 是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料. low activation martensitic CLAM)的设计与研究，以 目前世界各国均在发展和研究各自的RAM钢，如 发展具有中国自主知识产权、成分及性能优化的 日本的82H和IF-1,欧洲的EUROFER97以及美 RAFM钢.从2003年以来为满足IER国际合作计 国的9C2WVTa 划以及相关包层的发展要求，进行了ER实验包 收稿日期：2010-04-30 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(NQ2007D102)
第 33卷 第 2期 2011年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.2 Feb.2011 中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 李华杰 武会宾 唐 荻 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心, 北京 100083 通信作者, E-mail:li huajie2008@yahoo.cn 摘 要 通过光学显微镜、透射电镜和化学相分析等方法研究了中国低活化马氏体 ( CLAM)钢的组织特征、析出行为及其与 性能的关系.结果表明:CLAM钢淬火态组织为马氏体, 760℃回火后组织转变为细小均匀的索氏体.其室温下的抗拉强度为 697MPa, 屈服强度为 652MPa, 延伸率为 24.4%;600℃时抗拉强度为 453MPa, 屈服强度为 452MPa, 延伸率为 23%.韧脆转 变温度为 -60 ℃.CLAM钢中的析出物主要为 30 ～ 70nm的 M23C6和 Ta( C, N) , 这些主要分布在晶界且少量弥散分布于晶内 的析出物是强化 CLAM钢的主要方式之一. 关键词 马氏体钢;力学性能;微观组织;强化 分类号 TG142.74 Microstructure , propertiesandstrengtheningmechanismofChinalowactivation martensiticsteel LIHua-jie, WUHui-bin, TANGDi NationalEngineeringResearchCenterofAdvancedRolling, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:li huajie2008@yahoo.cn ABSTRACT Therelationshipamongthemicrostructure, precipitationbehaviorandmechanicalpropertiesofChinalowactivation martensitic( CLAM) steelwasstudiedbyopticalmicroscopy, transmissionelectronmicroscopy( TEM) andchemicalphaseanalysis. Itisshownthatthequenchedmicrostructureismartensite, butafterbeingtemperedat760 ℃ themicrostructuretransformsintofiner andmorehomogeneoussorbite.Thetensilestrength, yieldstrengthandelongationofthesteelatroomtemperatureare697 MPa, 652 MPaand24.4%, respectively;however, at600 ℃ theirvaluesare453MPa, 452MPaand23%, respectively.Theductile-brittle transitiontemperature( DBTT) is-60℃.Thesecondphaseparticles, sizedfrom30 to70nm, mainlyareM23C6 andTa( C, N) with FCCcrystalstructures.Theparticles, mostlydistributedatgrainboundariesbutfewdispersivelyingrains, canproduceprecipitation strengthening, asthekeystrengtheningmechanismofthesteel. KEYWORDS martensiticsteel;mechanicalproperties;microstructure;strengthening 收稿日期:2010--04--30 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目 ( No.2007ID102) 低活化铁素体 /马氏体钢 ( reduced-activation ferritic-martensitic, RAFM) 具有较低的辐照肿胀和 热膨胀系数, 较高的热导率等优良的热物理、力学性 能, 以及相对较为成熟的技术基础, 因此被普遍认为 是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料 . 目前世界各国均在发展和研究各自的 RAFM钢, 如 日本的 F82H和 JLF--1、欧洲的 EUROFER97以及美 国的 9Cr2WVTa. 为了赶上国际聚变堆研究的步伐, 适应即将建 造的国际热核聚变实验堆 ( ITER) 实验包层模块 ( TBM)和未来动力示范堆发展的需要, 从 2001 年 开始, 我国开展了对中国低活化马氏体钢 ( China lowactivationmartensitic, CLAM) 的设计与研究, 以 发展具有中国自主知识产权、成分及性能优化的 RAFM钢.从 2003年以来为满足 ITER国际合作计 划以及相关包层的发展要求, 进行了 ITER实验包 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.02.006
第2期 李华杰等：中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 167° 层模块的设计研究.在该系列包层设计中，确定了 RAM功学性能和微观组织的变化I6-,对CLAM CAM钢是首选结构材料， 的强化机理研究较少，本文主要针对CIAM钢的强 若选择CLAM钢作为聚变动力堆材料，存在两 化机理进行初步探讨. 个问题：首先，CLAM钢具有体心立方结构决定了 1试验材料及方案 CLAM钢的低温脆性，加之CLAM钢特殊的服役环 境，在中子辐照的作用下，导致韧脆转变温度 1.1试验材料 (DBT西上升，甚至影响材料正常工作：其次，CLAM CLAM钢采用高纯原材料，经25k堕空感应炉 钢存在最高使用温度上限问题，即当超过某一温度 加氩气保护熔炼而成，最后锻造加工成70X70 范围时，屈服强度和蠕变强度会急剧下降，上限温 以100的坯料，其化学成分见表1然后进行 度范围一般为550~600℃.所以对CLAM钢进行 十道次普通轧制，轧后淬火，随后对其进行热处理， 低温力学性能和高温力学性能进行测试尤为重 采取离线调质处理，其过程为980℃，30mn噢氏体 要19 化处理后淬火，并经760℃，90m回火处理.将其 目前国内外主要是采用离子、电子、双束辐照以 加工成拉伸试样、标准冲击样、金相样及透射样进行 及数值模拟等方法模拟研究聚变辐照环境下的 组织观察和性能测试. 表1CAM钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chem ical compositin ofCLAM ÷ Mn P W Cr Ta Nb Ni Mo B N 0098 046<0.005<000431.48018 9.08 0100010015<0005<0005<00047 1.2试验方案 表2CLAM钢的拉伸力学性能 低温韧性试验是在Zwik/Roel型摆锤式冲击 Table2 Mechanical propeniesofCLAM steel 试验机上进行系列标准试样冲击试验.采用液氮为 抗拉强度/) 温度沁 屈服强度/最大延伸 断面收缩 MPa MPa 率% 率% 冷却剂，以无水乙醇为冷却介质，适当调和液氮和 室温 697 652 24.44 74.54 无水乙醇以达到所要求的试验温度.测温使用低温 600 453 452 23.00 84.9男 酒精温度计.试样在冷却介质中保温15m识每个 试验温度用三个冲击试样，每次冲击从低温槽中取 表3典型低活化铁素体冯氏体钢的韧脆转变温度和室温力学性 出试样到冲断用时均不超过3，s室温和高温拉伸试 袋 验在电液伺服材料试验机(MT809)上进行，然后通 Table 3 Room_temperature mechan ical Propenies and ductile brittle tansition temperature of tpica l RAFM steel 过扫描电子显微镜(SM对断口进行进一步观察， 抗拉强度/ 韧脆转变温度 分析脆断机理， 钢种 MPa 延伸率% DBTT/C 2试验结果与分析 82H 630 200 -60 JIF-1 630 278 -70 2.1拉伸试验结果 EUROFER由7 630 220 -90 在拉伸试验机上对CLAM钢进行了室温和600 9CnWVTa 784 7.90 -80 ℃高温拉伸性能的测试，其试验结果列于表2将 CLAM钢力学性能与其他材料的力学性能（表3）进 由上述试验结果可知，CLAM钢在室温具有高 行对比.从表2表3可知：室温下CLAM钢的抗拉 的屈服强度和抗拉强度，主要是由第二相粒子的尺 强度低于9C2WVTa但高于其他RAMF钢.延伸率 寸和间距决定的.Thonas等y的试验结果表明，弥 仅次于IF-L 散细小的第二相粒子在马氏体基体上分布可以有效 由文献[8知：UROFE7在600℃、应变速 地阻止位错的运动，从而能够提高钢的力学性能 率为110时，抗拉强度为292MP?屈服强度为 基于上述理论，可由图4发现，许多第二相粒子分布 277MPa延伸率为29.3%，断面收缩率为941%. 在马氏体基体上，从而使CLAM钢具良好的屈服强 CLAM钢抗拉强度和屈服强度远远高于ELRO 度和抗拉强度. FE97,延伸率略低于EUROFER7.由此可见 2.2CLAM钢的显微组织 CLAM钢具有较好的高温力学性能. 从成品板上切取金相试样，在光学显微镜进行
第 2期 李华杰等:中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 层模块的设计研究.在该系列包层设计中, 确定了 CLAM钢是首选结构材料 [ 1--4] . 若选择 CLAM钢作为聚变动力堆材料, 存在两 个问题 :首先, CLAM钢具有体心立方结构决定了 CLAM钢的低温脆性, 加之 CLAM钢特殊的服役环 境, 在 中子辐 照的作 用下, 导致 韧脆转 变温度 ( DBTT)上升, 甚至影响材料正常工作;其次, CLAM 钢存在最高使用温度上限问题, 即当超过某一温度 范围时, 屈服强度和蠕变强度会急剧下降, 上限温 度范围一般为 550 ～ 600 ℃.所以对 CLAM钢进行 低温力学性能和高温力学性能进行测试尤为重 要 [ 5] . 目前国内外主要是采用离子、电子、双束辐照以 及数值模拟等方法模拟研究聚变辐照环境下的 RAFM力学性能和微观组织的变化 [ 6--7] , 对 CLAM 的强化机理研究较少, 本文主要针对 CLAM钢的强 化机理进行初步探讨. 1 试验材料及方案 1.1 试验材料 CLAM钢采用高纯原材料, 经 25 kg真空感应炉 加氩气保护熔炼而成, 最后锻造加工成 70 mm×70 mm×100 mm的坯料, 其化学成分见表 1.然后进行 十道次普通轧制, 轧后淬火, 随后对其进行热处理, 采取离线调质处理, 其过程为 980 ℃, 30 min奥氏体 化处理后淬火, 并经 760 ℃, 90 min回火处理 .将其 加工成拉伸试样、标准冲击样 、金相样及透射样进行 组织观察和性能测试. 表 1 CLAM钢的化学成分 (质量分数 ) Table1 ChemicalcompositionofCLAM % C Mn P S W V Cr Ta Nb Ni Mo B N 0.098 0.46 <0.005 <0.004 3 1.48 0.18 9.08 0.10 <0.01 <0.015 <0.005 <0.005 <0.004 7 1.2 试验方案 低温韧性试验是在 Zwick/Roell型摆锤式冲击 试验机上进行系列标准试样冲击试验 .采用液氮为 冷却剂, 以无水乙醇为冷却介质 .适当调和液氮和 无水乙醇以达到所要求的试验温度.测温使用低温 酒精温度计 .试样在冷却介质中保温 15 min.每个 试验温度用三个冲击试样, 每次冲击从低温槽中取 出试样到冲断用时均不超过 3 s, 室温和高温拉伸试 验在电液伺服材料试验机 ( MTS809)上进行, 然后通 过扫描电子显微镜 ( SEM)对断口进行进一步观察, 分析脆断机理. 2 试验结果与分析 2.1 拉伸试验结果 在拉伸试验机上对 CLAM钢进行了室温和 600 ℃高温拉伸性能的测试, 其试验结果列于表 2.将 CLAM钢力学性能与其他材料的力学性能 (表 3)进 行对比 .从表 2、表 3可知:室温下 CLAM钢的抗拉 强度低于 9Cr2WVTa, 但高于其他 RAMF钢, 延伸率 仅次于 JLF--1. 由文献 [ 8] 知 :EUROFER97在 600 ℃、应变速 率为 1 ×10 -3时, 抗拉强度为 292 MPa, 屈服强度为 277MPa, 延伸率为 29.3%, 断面收缩率为 94.1%. CLAM钢抗拉强度和屈服强度远远高于 EUROFER97, 延伸率 略低于 EUROFER97.由此可见 CLAM钢具有较好的高温力学性能 . 表 2 CLAM钢的拉伸力学性能 Table2 MechanicalpropertiesofCLAMsteel 温度 /℃ 抗拉强度 / MPa 屈服强度 / MPa 最大延伸 率 /% 断面收缩 率 /% 室温 697 652 24.44 74.54 600 453 452 23.00 84.93 表 3 典型低活化铁素体 /马氏体钢的韧脆转变温度和室温力学性 能 Table3 Room-temperaturemechanicalpropertiesandductile-brittle transitiontemperatureoftypicalRAFMsteels 钢种 抗拉强度 / MPa 延伸率 /% 韧脆转变温度, DBTT/℃ F82H 630 20.0 -60 JLF-1 630 27.8 -70 EUROFER97 630 22.0 -90 9Cr2WVTa 784 7.90 -80 由上述试验结果可知, CLAM钢在室温具有高 的屈服强度和抗拉强度, 主要是由第二相粒子的尺 寸和间距决定的.Thomas等 [ 9] 的试验结果表明, 弥 散细小的第二相粒子在马氏体基体上分布可以有效 地阻止位错的运动, 从而能够提高钢的力学性能. 基于上述理论, 可由图 4发现, 许多第二相粒子分布 在马氏体基体上, 从而使 CLAM钢具良好的屈服强 度和抗拉强度 . 2.2 CLAM钢的显微组织 从成品板上切取金相试样, 在光学显微镜进行 · 167·
。168 北京科技大学学报 第33卷 组织观察（图1）.由图可以发现，淬火态组织为完 组织细小均匀. 全马氏体，经离线调质处理后以回为索氏体为主且 20m 图1QAM钢的显微组织.（马淬火态：（热处理 FgI Microstrucures ofCLAM steel (a as quenched b)afer heat teament 2.3标准Charpy-.V试样冲击结果 300 冲击试验从室温到液氮温度共选取了六个试验 250 温度.根据不同试验温度下的能量值，绘制出冲击 吸收能随试验温度变化的曲线，如图2所示.室温 冲击功为275.5J一60℃的冲击功为192J-100 ℃的冲击功仍有84J可见CLAM钢的韧脆转变温 100 度约为一60℃. 50 2.4冲击断口形貌 -100-80-60-40-20020 温度无 观察CLAM钢各个试验温度下所得试样的宏 观断口（图3），可看到从室温开始，随着试验温度的 图2CLAM钢冲击吸收能与温度关系 Fg2 Relatinshp be ween mpact absotbed ene gy and gmperame 降低，逐渐从韧性断裂到脆性断裂转变的过程， 用描扫电镜(S丑M观察CLAM钢试样在室温、 的等轴韧窝，属韧性断裂：对于一100℃冲击的断口 一60℃以及一100℃断口中心部位的微观形貌，从 (图3(b),在试样中心接近底部具有晶界刻面的 而进一步判断CLAM钢的韧脆转变温度.对于20 冰糖状形貌，属沿晶断裂：对于一60℃的冲击断口 ℃冲击断口（图3（马），可以看出分布较深且均匀 (图3(9)，发现断口形貌中底部为沿晶断裂，边部 图3CLAM钢冲击断口形貌.（号20℃，(b一100℃：(9-60℃ Fig3 mpact frac graphy ofLAM steel(20C:(b-100℃：(9-60℃
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 组织观察 (图 1) .由图可以发现, 淬火态组织为完 全马氏体, 经离线调质处理后以回为索氏体为主且 组织细小均匀 . 图 1 CLAM钢的显微组织 .( a)淬火态;( b)热处理 Fig.1 MicrostructuresofCLAMsteel:( a) asquenched;( b) afterheattreatment 图 3 CLAM钢冲击断口形貌 .( a) 20℃;( b) -100℃;( c) -60℃ Fig.3 ImpactfractographyofCLAMsteel:( a) 20℃;( b) -100℃;( c) -60℃ 2.3 标准 Charpy--V试样冲击结果 冲击试验从室温到液氮温度共选取了六个试验 温度.根据不同试验温度下的能量值, 绘制出冲击 吸收能随试验温度变化的曲线, 如图 2所示.室温 冲击功为 275.5 J, -60 ℃的冲击功为 192 J, -100 ℃的冲击功仍有 84 J, 可见 CLAM钢的韧脆转变温 度约为 -60 ℃. 2.4 冲击断口形貌 观察 CLAM钢各个试验温度下所得试样的宏 观断口 (图 3), 可看到从室温开始, 随着试验温度的 降低, 逐渐从韧性断裂到脆性断裂转变的过程 . 用描扫电镜 ( SEM)观察 CLAM钢试样在室温 、 -60 ℃以及 -100 ℃断口中心部位的微观形貌, 从 而进一步判断 CLAM钢的韧脆转变温度.对于 20 ℃冲击断口 (图 3( a) ), 可以看出分布较深且均匀 图 2 CLAM钢冲击吸收能与温度关系 Fig.2 Relationshipbetweenimpactabsorbedenergyandtemperature 的等轴韧窝, 属韧性断裂;对于 -100 ℃冲击的断口 (图 3( b) ), 在试样中心接近底部具有晶界刻面的 冰糖状形貌, 属沿晶断裂;对于 -60 ℃的冲击断口 (图 3( c) ), 发现断口形貌中底部为沿晶断裂, 边部 · 168·
第2期 李华杰等：中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 ·169 为韧性断裂，从整体来看，结品区面积占到了整个断 相粒子在晶内析出.为了进一步研究第二相粒子的 口面积的50%，所以推断一60℃为韧脆转变温 具体种类和分布特征，对萃取得到的大量的析出物 度0 (图4)逐一进行衍射花样标定并与DF卡上所给 2.5第二相粒子析出行为 的化合物进行对比，发现析出相主要是TC)和 首先采用化学相分析的方法确定了C】AM钢 大量的碳化物MG且发现在晶界处的粒子多为 中存在的第二相种类，此工作是在国家钢铁测试中 M6,TC)类型的第二相粒子分布在晶内，标 心完成的.其次通过萃取复型以及减薄试样来观察 定结果如下. 析出相形貌、尺寸以及分布.化学相分析结果如表4 (1)TC的形貌和衍射花样如图5（所示.晶 所示. 体结构为F℃截面呈圆形.尺寸为30~50四对 表4化学相分析结果 其进行了衍射花样计算，F=27.76四5=46.29 Table4 Result of chem ical Phase aalysis m0=87.42,计算得a=0.4579m通过与PDF 相类型 点阵常数，号/m 品系 卡片对比，以及上述化学相分析点阵常数可知该第 MG 1.062-1.064 面心立方 二相为TC相应晶带轴为[112). Ta C N) 0443-0444 面心立方 (2)MG的形貌和衍射花样如图5(b所示. 其形状呈多边形，尺寸为50~70四对其进行了衍 在透射电镜下观察萃取复型得到的CIAM钢 射花样计算，标定结果为「=20.4四=2273 中第二相粒子，其形貌与分布如图4所示.可以看 m四0=117.92°，计算得a=1.0592m四相应晶带轴 到大量的第二相析出粒子在晶界析出，少量的第二 为[11. 05m 4 200mm 图4第二相粒子整体形貌与分布.（复型萃取：（薄膜透射 Fg4 Morthokgy ad distrilution of second phase particle学（码extrac ti知replie(bin fim tnsmission (3)T形貌及衍射花样如图5(9所示.其形 金化元素，形成MC第二相粒子，直接钉扎奥氏体 貌不规则，可能是在制样过程中磨损或是多个第二 晶界，阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒：而固溶 相粒子聚拢成块.对图5(9进行标定，结果为「= 于奥氏体的合金元素在快冷过程中以细小弥散第二 32.54m=32.81m0=9077°，可计算得a= 相粒子析出，主要是TC),沿着奥氏体晶内或 0.449四相应晶带轴为[001. 晶界、亚晶界处析出.TC一方面提供了大量 在透射电镜下利用能谱发现了大量C等元素 形核的核心，以利于形核：另一方面这些第二相阻碍 的碳化物，即MC型（图6（马），同时也证实MG 滑移过程的位错运动，从而增大了塑性变形的 主要分布在晶界处：Ta的碳化物（图6(b,),即 抗力. T年C,主要分布在晶内；这些析出物的尺寸均在 在热处理过程中，CLAM钢离线淬火时，得到 30m左右，对位错起到了钉扎作用，达到了析出强 CT和V等元素的过饱和固溶体，在回火过程中， 化的效果.下面从两个方面简单分析第二相的弥散 这些元素以碳化物的形式在马氏体板条内和板条间 强化的原因. 弥散沉淀析出，这些不可切割的、球状第二相阻碍位 在1200℃保温时，这些合金元素全部或绝大 错的运动，稳定了马氏体的板条结构，从而达到了强 部分固溶于奥氏体中，然后在轧制过程中，未溶的合 韧化作用
第 2期 李华杰等:中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 为韧性断裂, 从整体来看, 结晶区面积占到了整个断 口面积的 50%, 所以推断 -60 ℃为韧脆转变温 度 [ 10] . 2.5 第二相粒子析出行为 首先采用化学相分析的方法确定了 CLAM钢 中存在的第二相种类, 此工作是在国家钢铁测试中 心完成的.其次通过萃取复型以及减薄试样来观察 析出相形貌 、尺寸以及分布 .化学相分析结果如表 4 所示. 表 4 化学相分析结果 Table4 Resultofchemicalphaseanalysis 相类型 点阵常数, a0 /nm 晶系 M23 C6 1.062 ～ 1.064 面心立方 Ta( C, N) 0.443 ～ 0.444 面心立方 在透射电镜下观察萃取复型得到的 CLAM钢 中第二相粒子, 其形貌与分布如图 4 所示.可以看 到大量的第二相析出粒子在晶界析出, 少量的第二 相粒子在晶内析出 .为了进一步研究第二相粒子的 具体种类和分布特征, 对萃取得到的大量的析出物 (图 4)逐一进行衍射花样标定并与 PDF卡上所给 的化合物进行对比, 发现析出相主要是 Ta( C, N)和 大量的碳化物 M23 C6, 且发现在晶界处的粒子多为 M23 C6, Ta( C, N)类型的第二相粒子分布在晶内, 标 定结果如下. ( 1) TaC的形貌和衍射花样如图 5( a)所示.晶 体结构为 FCC, 截面呈圆形, 尺寸为 30 ～ 50 nm.对 其进行了衍射花样计算, r1 =27.76 nm, r2 =46.29 nm, θ=87.42°, 计算得 a=0.457 9 nm.通过与 PDF 卡片对比, 以及上述化学相分析点阵常数可知该第 二相为 TaC, 相应晶带轴为 [ 112] . ( 2) M23 C6 的形貌和衍射花样如图 5( b)所示. 其形状呈多边形, 尺寸为 50 ～ 70 nm.对其进行了衍 射花样计算, 标定结果为 r1 =20.4 nm, r2 =22.73 nm, θ=117.92°, 计算得 a=1.059 2 nm, 相应晶带轴 为[ 111] . 图 4 第二相粒子整体形貌与分布 .( a)复型萃取;( b)薄膜透射 Fig.4 Morphologyanddistributionofsecondphaseparticles:(a) extractionreplica;( b) thinfilmtransmission ( 3) TaN形貌及衍射花样如图 5( c)所示 .其形 貌不规则, 可能是在制样过程中磨损或是多个第二 相粒子聚拢成块 .对图 5( c)进行标定, 结果为 r1 = 32.54 nm, r2 =32.81 nm, θ=90.77°, 可计算得 a= 0.449 nm, 相应晶带轴为 [ 001] . 在透射电镜下利用能谱发现了大量 Cr等元素 的碳化物, 即 M23 C6 型 (图 6( a) ), 同时也证实 M23C6 主要分布在晶界处;Ta的碳化物 ( 图 6 ( b) ), 即 Ta( C, N), 主要分布在晶内 ;这些析出物的尺寸均在 30 nm左右, 对位错起到了钉扎作用, 达到了析出强 化的效果.下面从两个方面简单分析第二相的弥散 强化的原因 . 在 1 200 ℃保温时, 这些合金元素全部或绝大 部分固溶于奥氏体中, 然后在轧制过程中, 未溶的合 金化元素, 形成 M23 C6 第二相粒子, 直接钉扎奥氏体 晶界, 阻止奥氏体晶粒长大, 从而细化晶粒;而固溶 于奥氏体的合金元素在快冷过程中以细小弥散第二 相粒子析出, 主要是 Ta( C, N), 沿着奥氏体晶内或 晶界 、亚晶界处析出.Ta( C, N)一方面提供了大量 形核的核心, 以利于形核 ;另一方面这些第二相阻碍 滑移过程的位错运动, 从而增大了塑性变形的 抗力 . 在热处理过程中, CLAM钢离线淬火时, 得到 Cr、Ta和 V等元素的过饱和固溶体, 在回火过程中, 这些元素以碳化物的形式在马氏体板条内和板条间 弥散沉淀析出, 这些不可切割的、球状第二相阻碍位 错的运动, 稳定了马氏体的板条结构, 从而达到了强 韧化作用 . · 169·
。170 北京科技大学学报 第33卷 a (11i 000 i3i (220 5nm图 2112 50 nm 220 022 000 (202 50四m 5 nm-i Z-111 (e) 220 200 (020 000 50m 5mm Z00 图5析出物形貌及其衍射花样.（两TaC(M,C:(9T F5 Mohopgy and diffmaction patemsof precpitatins TG (b)Ma C:TaN (a) 2404 20 Cr Fe G Fe 2 4 681012 时4100m 能量keV 160# Ta Fe 80 Ta 40 4 6 8 1012 100m 能量keN 图6减薄试样中第二相粒子的形貌和能谱.（号C2C(TC) F6 Morthorgy ad energy-dispersive spectm of secand thase partickes n thinned simpls (a M C(b Ta CN)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 5 析出物形貌及其衍射花样 .( a) TaC;( b) M23C6;( c) TaN Fig.5 Morphologyanddiffractionpatternsofprecipitations:( a) TaC;( b) M23C6 ;( c) TaN 图 6 减薄试样中第二相粒子的形貌和能谱 .( a) Cr23 C6;( b) Ta( C, N) Fig.6 Morphologyandenergy-dispersivespectraofsecondphaseparticlesinthinnedsamples:(a) M23 C6;( b) Ta( C, N) · 170·
第2期 李华杰等：中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 。171° 3 Tangawa H HiroseT ShbaK Technical issues of reduced acti 3结论 vaton femitic/manensitic stee ls for fbrication of IIER testblanket (1)CLAM钢的室温抗拉强度为697MP,a屈服 modukes Fusion Eng Des 2008 83.1471 [4 K Mch R I,GellesD S Jitsakawa et al Feritic/manensitic 强度为652MP?延伸率为24.4%，断面收缩率为 seels overview of recent esults JNuclMater 2002 307-311: 74.54%:在600℃情况下抗拉强度达到了453MP: 455 屈服强度为452MPa延伸率为23%，断面收缩率为 [5]LiY E HuangQY WuY C Study on mpactand sensile pop 84.93%.CLAM钢韧脆转变温度为一60℃具有较 eniesofCLAM Steel Nud Phys Re 2006 23(2):151 (李艳芬，黄群英，吴宜灿.M钢冲击和拉伸性能测试与研 好的冲击韧性. 究.原子核物理评论，200623(2)：151) (2)CLAM钢中的第二相粒子主要是MG与 【(LiC Huang Q Feng Y et al Interact知ofCLAM steelwith T4C,晶体结构为FCC结构.粒子尺寸为30~ pama in HT-7 pkamak during hgh parame ter operation Pasma 70这些主要分布在晶界和少量弥散分布于晶内 SciTechnol 2007(9):484 的析出物是强化CLAM钢的主要方式之一. [7 Lindau R Schira M First results on he charac terisation of the reduced activation ferriticmartensitic steel EUROFER Fusin 参考文献 EngD5200158-59781 1]HuangQY LiC J LiY E R&D status ofChina bw activation I8 Rih M Schima M Fakensen A et al Tensile Charpy manensitic steel Chin JNud SciEng 2007 27(1):41 creep and structural test Wiss Ber FZKA 2003,11 1 (黄群英，李春京，李艳芬，等.中国低活化马氏体钢CLM研 [9 ThemasG Koo Y J Kott R A et al Fundamentals of DuaL Phase Steel New Yois AME 1981:183 究进展.核科学与工程，200727(1片41) [2]Yu JN HuangQY Wa E Research and deveppment an he [10 WagI,Mechanica IP roperties ofMa terial Shenyang Northeast em Universit Press 2005 China b activation manensitic stee]J NuclMater 2007.367- (王磊.材料力学性能.沈阳：东北大学出版社，2005) 37097
第 2期 李华杰等:中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 3 结论 ( 1) CLAM钢的室温抗拉强度为 697 MPa, 屈服 强度为 652 MPa, 延伸率为 24.4%, 断面收缩率为 74.54%;在 600 ℃情况下抗拉强度达到了 453 MPa, 屈服强度为 452MPa, 延伸率为 23%, 断面收缩率为 84.93%.CLAM钢韧脆转变温度为 -60℃, 具有较 好的冲击韧性. ( 2) CLAM钢中的第二相粒子主要是 M23 C6 与 Ta( C, N), 晶体结构为 FCC结构, 粒子尺寸为 30 ～ 70 nm, 这些主要分布在晶界和少量弥散分布于晶内 的析出物是强化 CLAM钢的主要方式之一 . 参 考 文 献 [ 1] HuangQY, LiCJ, LiYF.R＆DstatusofChinalowactivation martensiticsteel.ChinJNuclSciEng, 2007, 27 ( 1) :41 (黄群英, 李春京, 李艳芬, 等.中国低活化马氏体钢 CLAM研 究进展.核科学与工程, 2007, 27( 1 ):41) [ 2] YuJN, HuangQY, WanF.Researchanddevelopmentonthe Chinalowactivationmartensiticsteel.JNuclMater, 2007, 367- 370:97 [ 3] TanigawaH, HiroseT, ShibaK.Technicalissuesofreducedactivationferritic/martensiticsteelsforfabricationofITERtestblanket modules.FusionEngDes, 2008, 83:1471 [ 4] KluehRL, GellesDS, JitsukawaS, etal.Ferritic/martensitic steels:overviewofrecentresults.JNuclMater, 2002, 307-311 : 455 [ 5] LiYF, HuangQY, WuYC.StudyonimpactandtensilepropertiesofCLAMSteel.NuclPhysRev, 2006, 23( 2) :151 (李艳芬, 黄群英, 吴宜灿.CLAM钢冲击和拉伸性能测试与研 究.原子核物理评论, 2006, 23( 2 ) :151) [ 6] LiC, HuangQ, FengY, etal.InteractionofCLAM steelwith plasmainHT-7 tokamakduringhighparameteroperation.Plasma SciTechnol, 2007 ( 9 ) :484 [ 7] LindauR, SchirraM.Firstresultsonthecharacterisationofthe reducedactivationferritic/martensiticsteelEUROFER.Fusion EngDes, 2001, 58-59:781 [ 8] RiethM, SchirraM, FalkensteinA, etal.Tensile, Charpy, creepandstructuraltest.WissBerFZKA, 2003, 6911:1 [ 9] ThomasG, KooYJ, KottRA, etal.FundamentalsofDualPhaseSteels.NewYork:AIME, 1981:183 [ 10] WangL.MechanicalPropertiesofMaterial.Shenyang:NortheasternUniversityPress, 2005 (王磊.材料力学性能.沈阳:东北大学出版社, 2005 ) · 171·
