D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.05.006 第35卷第5期 北京科技大学学报 Vol.35 No.5 2013年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2013 氧化物弥散强化钢的强化机理 郭丽娜)四，胡本芙2)，刘安强)，贾成厂2，李慧英2) 1)中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所，北京102413 2)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:guoln'702@yahoo,com.cn 摘要采用粉末冶金法制备出成分为Fe12.5Cr-2.5W-0.4Ti-0.02V-0.4Y203(12Cr-0DS,质量分数，%)的铁素体钢. 通过电镜观察及力学性能测试等手段研究了12C-ODS铁素体钢的组织与性能，并定量计算了不同强化机制对合金屈 服强度的贡献.电镜观察发现12Cr-ODS钢为等轴的铁素体组织，平均晶粒尺寸为1.5um,不同尺寸氧化物在基体中均 匀分布，力学性能测试结果表明12Cr-ODS钢具有优异的室温拉伸性能，屈服强度达到738MPa.合金主要强化机制为 氧化物弥散强化、氧化物弥散强化钢加工强化、热错配位错强化和晶界强化机制，各种强化机制计算得到的理论屈服强 度为750MPa,与实测值吻合较好 关键词铁素体钢：氧化物：强化：组织：拉伸性能：粉末治金 分类号TG142.23:TL341 Strengthening mechanisms of oxide dispersion strengthened steel GU0Li-na)☒，HU Ben-f2),LIU An-qiang2）,JIA Cheng-chang2),LI Hui--ying2） 1)Department of Reactor Engineering Research and Design,China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China 2)School of Material Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:guoln702@yahoo.com.cn ABSTRACT An oxide dispersion strengthened (ODS)ferritic steel with the nominal composition of Fe-12.5Cr- 2.5W-0.4Ti-0.02V-0.4Y203(designated 12Cr-ODS,by mass)was produced by powder metallurgy.Its microstructure and mechanical properties were investigated by scanning electron microscopy (SEM),transmission electron microscopy (TEM),and mechanical properties testing.Quantitative calculations were performed to find out the contribution of different strengthening mechanisms to the yield strength of the steel.SEM and TEM observations show that the steel exhibits equiaxed ferritic grains,its average size is 1.5 um,and oxide particles of different sizes appear quite homogeneously distributed in the matrix.Tensile testing results indicate that the steel has superior tensile strength with the high yield strength of 738 MPa at room temperature.Orowan strengthening,work hardening effect of reinforced particles,dislocation strengthening by thermal expansion mismatch,and grain boundary strengthening are the main strengthening mechanisms of the steel.The theoretical yield strength is 750 MPa,which is in good agreement with the experimental data. KEY WORDS ferritic steel;oxides:strengthening;microstructure;tensile properties;powder metallurgy 氧化物弥散强化(ODS)铁素体钢是利用高熔正在推进，要求燃料包壳管的使用温度必须提高， 点的Y2O3氧化物弥散强化铁素体钢，并通过合 锆管和奥氏体不锈钢管都不能满足工况要求，开 理的工艺技术控制组织.该钢种高温蠕变性能好，发优良的高强度氧化物弥散强化铁素体钢是其关 辐照肿胀率低，具有低放射性，被公认为是最有 键[1-3， 希望的核电站燃料包壳管候选材料.未来第四代 采用机械合金化法制备的氧化物弥散强化铁 超临界水型反应堆(Generation IV)的国际合作 素体钢由于基体中弥散分布着细小的氧化物而具有 收稿日期：201201-23 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB209800)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 氧化物弥散强化钢的强化机理 郭丽娜 `回, 胡本芙 , 刘安 强, , 贾成厂 , 李慧英, 中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所 , 北京 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 困 通信作者 , ￡ ￡ 摘 要 采用粉末冶金法制备出成分为 一 一 一 一 一 一 , 质量分数 , 的铁素体钢 通过电镜观察及力学性 能测试等手段研究了 卜 铁素体钢的组织与性能 , 并定量计算了不同强化机制对合金屈 服强度的贡献 电镜观察发现 一 钢为等轴的铁素体组织 , 平均晶粒尺寸为 协 , 不同尺寸氧化物在基体中均 匀分布 力学性能测试结果表明 一 钢具有优异的室温拉伸性能 , 屈服强度达到 合金主要强化机制为 氧化物弥散强化 、氧化物弥散强化钢加工强化 、热错配位错强化和晶界强化机制 , 各种强化机制计算得到的理论屈服强 度为 , 与实测值吻合较好 关键词 铁素体钢 氧化物 强化 组织 拉伸性能 粉末冶金 分类号 ` 石、一 ` 网 , 万 刀 一 , 石, 。一。、 , 剧 以 。一。人 。“ , 五了执 一、、 , , , , 盯 , , 困 , 一 , ￡ , 一 一 一 一 一 , 饰 , , , 即 , , , , 飞 , 协 , 一 , , , , , 一 氧化物弥散强化 铁素体钢是利用高熔 正在推进 , 要求燃料包 壳管 的使用温度必须提高 , 点 的 氧化物弥散强化铁 素体钢 , 并通过合 错管和奥 氏体不锈钢管都不能满足工况要求 , 开 理 的工艺技术控制组织 该钢种高温蠕 变性 能好 , 发优 良的高强度氧化物弥散强化铁素体钢是其 关 辐照肿胀率低 , 具有低 放射性 , 被公认为是最有 键 卜 , 希望的核 电站燃料包 壳管候选材料 未来第 四代 采用机械合金化法制备 的氧 化物弥散强化铁 超 临界水 型反应堆 的国际合作 素体钢由于基体中弥散分布着细小的氧化物而具有 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家重点基础研究发展计划资助项 目 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.05.006
第5期 郭丽娜等：氧化物弥散强化钢的强化机理 ·587· 优良的高温强度，但塑性和冲击性能较差，如何 及Zeiss Supra55型场发射扫描电镜(FE-SEM)对合 在保持合金高强度的基础上提高材料的塑性和冲击 金显微组织以及氧化物进行形貌观察和尺寸统计 韧性是目前研究的热点A-).采用乙二胺四乙酸 根据GB/T228一2002金属材料的室温拉伸试验方 (EDTA)络合溶胶-凝胶法向预合金中添加Y2O3制 法加工出直径为6mm、标距长为30mm的标准 备出的12C-ODS钢具有优异的室温和高温拉伸性 拉伸试样，在室温进行测试，实验所采用的设备为 能、较低的韧脆转化温度以及良好的抗辐照肿胀性 MTS810万能电子拉伸试验机，拉伸速率为10-3 能I6-州. s-1 然而，目前关于人工弥散质点强化合金的强化 2结果与讨论 机理还不清楚，质点钉扎位错Orowan弓弯理论和 斥力位错攀移理论，其假设都是确立在尺寸相同质 2.1组织观察 点均匀分布的情况下，而乙二胺四乙酸络合溶胶 12Cr-ODS铁素体钢的透射电镜图片如图1所 凝胶法添加氧化物制备出的氧化物弥散强化材料最 示.从图1(a)中可以看出，12Cr-0DS铁素体钢为 突出的特点是获得不同尺寸均匀分布的质点，因此 细小的铁素体等轴晶粒，平均晶粒尺寸约为1.5m. 上述理论的前提与乙二胺四乙酸络合溶胶凝胶法 从图1(b)中可以看出，氧化物在基体中分布的比较 添加氧化物制备出的氧化物弥散强化合金相左.本 均匀，多分布在晶粒内部 文在研究了12Cr-ODS铁素体钢的组织及力学性能 12Cr-ODS铁素体钢中，强化相主要有Y2O3、 的基础上，对其强化机制进行了探索 TiO2和Y2Ti20,三种，氧化物颗粒尺寸分布 范围很宽，从10~500nm范围内都存在氧化物颗 1实验方法 粒，如图2()所示.在测量氧化物尺寸分布时， 1.1材料制备工艺 发现氧化物在30~50nm(如图2(b)所示)、80100 试样化学成分为Fe-12.5Cr-2.5W-0.4Ti-0.02V- nm(如图2(c)所示)和200nm(如图2(d)所示) 0.4Y203(质量分数，%).母合金经真空感应炉熔炼， 附近共存三个尺寸峰值分布.因此将尺寸小于50 用氮气雾化喷粉，筛分出粒度为50~150m的预合 nm的氧化物颗粒统计为40nm的粒子，称为小 金粉末，采用乙二胺四乙酸络合溶胶，凝胶法向预 尺寸氧化物颗粒(small particles,简称S),体积分 合金粉末中添加Y2038例.含有Y203的复合粉末装 数fs=0.184%,这些小尺寸氧化物多分布在晶粒内 入不锈钢包套，真空去气后封焊，经1160℃、130 部：50~100m的氧化物统计为90nm的粒子，称为 MPa及3h热等静压致密化成型，再经锻造加工成 中等尺寸氧化物颗粒(medium particles,简称M), 棒，在1100℃固溶退火1h后空冷 体积分数fM=0.541%,这些中等尺寸的氧化物在基 1.2测试方法 体中分布的比较均匀，颗粒形状也较规则：尺寸在 固溶处理后的12Cr-ODS铁素体钢切成1.5mm 100~500nm的氧化物统计为200nm的粒子，称为 厚薄片磨制抛光冲成中3mm圆盘状试样，经双喷电 大尺寸氧化物颗粒(big particles,简称B),体积分 解减薄制成透射电镜(TEM)用样品，用JEI-2000 数B=0.17%.三个尺寸分布的氧化物体积分数达 型透射电镜(TEM)、超高压电子显微镜(HVEM)以 f=0.895%. 600nm 200nm 图112Cr-ODS钢的显微组织.(a)晶粒组织：(b)Y2O3分布 Fig.1 Microstructures of 12Cr-ODS steel:(a)grains;(b)distribution of yttria dispersoids
第 期 郭丽娜等 氧化物弥散强化钢的强化机理 优 良的高温 强度 , 但塑性和冲 击性 能较差 , 如何 在保持合金高强度的基础上提高材料的塑性和冲击 韧性 是 目前研究 的热点 “一引 采用 乙二胺 四乙酸 络合溶胶 凝胶法向预合金中添加 、制 备出的 一 钢具有优异 的室温和高温拉伸性 能 、较低的韧脆转化温度 以及 良好 的抗辐照肿胀性 能 ,一” 然而 , 目前关于人工弥散质点强化合金的强化 机理还不清楚 , 质点钉扎位错 ' , 弓弯理论和 斥力位错攀移理论 , 其假设都是确立在尺寸相 同质 点均匀分布的情况下 , 而乙二胺 四乙酸络合溶胶 凝胶法添加氧化物制备出的氧化物弥散强化材料最 突出的特 点是获得不同尺寸均匀分布的质点 , 因此 上述理论 的前提 与乙二胺四乙酸络 合溶胶一凝胶法 添加氧化物制 备出的氧化物弥散强化合金相左 本 文在研究了 ,一 铁素体钢的组织及力学性能 的基础上 , 对其强化机制进行了探索 及 , 型场发射扫描电镜 一 对合 金显微组织 以及氧化物进行形貌观察和尺寸统计 根据 一 金属材料的室温拉伸试验方 法加工 出直径为 , 、 标距长为 的标准 拉伸试样 , 在室温进行测试 , 实验所采用的设备为 万能 电子拉伸试验机 , 拉伸速率为 一” 实验 方 法 材料制备工艺 试样化学成 分为 卜 一 一 一 , 质量分数 , 母合金经真空感应炉熔炼 , 用氮气雾化喷粉 , 筛分出粒度为 、 件 的预合 金粉末 , 采用乙二胺四乙酸络合溶胶 一凝胶法 向预 合金粉末中添加 少 含有 , 的复合粉末装 入不锈钢包套 , 真空去气后封焊 , 经 ℃ 、 及 热等静压致密化成型 , 再经锻造加工成 棒 , 在 ℃固溶退火 后空冷 测 试 方 法 固溶处理后的 一, 铁素体钢切成 , 厚薄片磨制抛光冲成 中 圆盘状试样 , 经双喷电 解减薄制成透射 电镜 用样 品 , 用 一 型透射 电镜 、超高压电子显微镜 以 结果与讨论 组织观察 一 铁素体钢 的透射 电镜图片如图 所 示 从图 中可 以看 出 , 一 铁素体钢 为 细小的铁素体等轴晶粒 , 平均 晶粒尺寸约为 卜 从图 中可 以看 出 , 氧化物在基体 中分布的比较 均匀 , 多分布在晶粒内部 一 铁素体钢中 , 强化相主要有 、 和 三种 氧化物颗粒尺寸分布 范围很宽 , 从 、 范围内都存在氧化物颗 粒 , 如图 所示 在测量氧化物尺寸分布时 , 发现氧化物在 、 如 图 所示 、 如 图 所示 和 如 图 所示 附近共存三个尺寸峰值分布 因此将尺寸 小于 的氧化物颗粒统 计为 的粒子 , 称为小 尺寸氧化物颗粒 , , 简称 , 体积 分 数 儿 , 这些小尺寸氧化物多分布在 晶粒内 部 , 的氧化物统计为 的粒子 , 称为 中等尺寸氧化物颗粒 , 简称 , 体积分数 六工 。 , 这些中等尺寸的氧化物在基 体 中分布 的比较均匀 , 颗粒形状也较规则 尺寸在 一 的氧化物统计为 的粒子 , 称为 大尺寸氧化物颗粒 , 简称 , 体积分 数 九 三个尺寸分布 的氧化物体积分数达 二 图 一 钢的显微组织 晶粒组织 分布 入王, 二 ,℃ 一
·588 北京科技大学学报 第35卷 50m 100m 200nm 图212Cr-ODS钢中不同尺寸氧化物.(a)场发射扫描电镜照片；(b),(d)透射电镜照片：(c)超高压电镜照片 Fig.2 Oxide particles in 12Cr-ODS steel:(a)FE-SEM image;(b).(d)TEM image;(c)HVEM image 2.2拉伸性能测试 2.3强化机制 12Cr-ODS铁素体钢室温拉伸曲线如图3所示. 从图3可知12C-ODS铁素体钢具有优异的拉 从图中可以看出，拉伸应力·应变曲线上没有明显 伸强度，因此有必要对其强化机制进行研究，氧化 的屈服点，合金在应变量约为1%时进入屈服，屈服 物弥散强化合金从广义来说也是一种粒子增强基体 强度约为738MPa.氧化物弥散强化钢具有较高的 的纳米复合材料，可以把复合材料中相关机理用来 屈服强度是由于材料中位错运动被高密度的氧化物 解释本研究所制备的12Cr-ODS钢的强化机理.对 质点阻碍造成的.合金的抗拉强度为1104MPa,在 于颗粒增强基体的纳米复合材料来说，其强化机制 较宽的应变区域内，存在着稳态流变应力，且试样可以分为以下六种0-124：(1)固溶强化机制；(2) 表面没有明显的裂纹形成，说明钢中加入少量（体 强化相的承载作用机制；(3)Orowan强化机制；(4) 积分数<1%)的纳米氧化物质点并没有恶化合金的 热错配位错强化机制：（⑤）第二相粒子造成的加工 塑性，延伸率达到10.9%，即采用乙二胺四乙酸络合 强化机制；（⑥）晶界强化机制 溶胶凝胶法向合金粉中添加氧化物所制备的12Cr- 一般来说，复合材料的屈服强度也即是位错源 ODS铁素体钢具有良好的强韧性 开动所需要的应力，其大小受存在的阻碍位错运动 1200 的阻碍物决定12.由于本研究制备的氧化物弥散 强化钢中，化学反应配比的Y完全转变成Y2O3, 1000 即固溶强化效果可以忽略.Y2O3颗粒含量很低（体 800 积分数<1%)，强化相的承载作用力可以忽略不计 600 因此总的屈服应力如下式所示： 400 00.2 =00+OOro OWH +OTMD +OGB. (1) 200 式中：0.2为屈服应力：0是在没有任何强化机理 0 4680 作用情况下，材料固有的摩擦阻力，可处理为单晶 工程应变/% 体金属的屈服强度，可以忽略不计.13；ooro为 图312Cr-ODS钢的应力-应变曲线 氧化物弥散强化应力：wH为氧化物弥散强化钢的 Fig.3 Tensile stress-strain curves of 12Cr-ODS steel 加工强化应力：OTMD为热错配位错强化应力：OGB
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 图 一 钢 中不同尺寸氧化物 场发射扫描 电镜照片 , 透射电镜照片 超 高压电镜照片 一 一 入 。 入 , 入 。 拉伸性能测试 一 铁素体钢室温拉伸 曲线如图 所示 从图中可 以看 出 , 拉伸应力 一应变 曲线上没有明显 的屈服点 , 合金在应变量约为 时进入屈服 , 屈服 强度约为 氧化物弥散强化钢具有较高的 屈服强度是 由于材料中位错运动被高密度的氧化物 质点阻碍造成的 合金的抗拉强度为 , 在 较宽的应变 区域 内 , 存在着稳态流变应 力 , 且试样 表面没有明显的裂纹形成 , 说 明钢 中加入少量 体 积分数 的纳米氧化物质点并没有恶化合金的 塑性 , 延伸率达到 , 即采用乙二胺 四乙酸络合 溶胶一凝胶法 向合金粉 中添加氧化物所制备的 铁素体钢具有 良好的强韧性 厂一 强化机制 从图 可知 一 铁素体钢具有优异的拉 伸强度 , 因此有必要对其强化机制进行研 究 氧化 物弥散强化合金从广义来说也是一种粒子增强基体 的纳米复合材料 , 可以把复合材料中相关机理用来 解释本研究所制备的 一 钢的强化机理 对 于颗粒增强基体的纳米复合材料来说 , 其强化机制 可以分为 以下六种 。一` 固溶强化机制 强化相的承载作用机制 , 强化机制 热错配位错强化机制 第二相粒子造成 的加工 强化机制 晶界强化机制 一般来说 , 复合材料的屈服强度也即是位错源 开动所需要 的应力 , 其大小受存在的阻碍位错运动 的阻碍物决定 阵 由于本研究制备的氧化物弥散 强化钢 中 , 化学反应配比的 完全转变成 , 即固溶强化效果可以忽略 , 颗粒含量很低 体 积分数 , 强化相的承载作用力可以忽略不计 因此总的屈服应力如下式所示 二。 。 ,、, 十二 , , 二入工 二〔, , 只侧彩日国必 工程应变 图 一 钢的应力 一应变曲线 一 一 式中 勃 为屈服应力 。是在没有任何强化机理 作用情况下 , 材料固有的摩擦阻力 , 可处理为单晶 体金属的屈服强度 , 可 以忽略不计 “ ·` 二 。为 氧化物弥散强化应力 为氧化物弥散强化钢的 加工强化应力 、 为热错配位错强化应力
第5期 郭丽娜等：氧化物弥散强化钢的强化机理 589· 为晶界强化应力 T0r0= (3) 本研究制备的氧化物弥散强化铁素体钢，制造 aiscm( 工艺区别于机械合金化法，其最大的特点是氧化物 式中：G为基体室温切变模量(90GPa):b为柏氏 尺寸不均等，分为大中小三种尺寸，为10~500nm 矢量(0.256nm13):T。为氧化物粒子的半径：入为 尺寸分布范围也很宽.考虑氧化物颗粒尺寸不均对 氧化物粒子的间距，可采用下式进行计算16， Oro OWH和OTMD的影响，可以用加和规则对不 2元 同尺寸氧化物产生的OOo、wH和OTID进行计 λ=r3f (4) 算： 式中：∫为氧化物颗粒的体积分数 把式(4)代入式(3)，得到Orowan强化应力 fs =+N+n+6++B+ M 00r0为： fB +M+B明 (2) 00ro= -1 (5) 式中：S、M和B分别代表小、中和大三种不同尺 12Cr-ODS钢中氧化物颗粒都是随机均匀分布 寸范围内的氧化物：i可被OrO、WH和TMD代替 的，根据式（⑤）可计算出不同尺寸范围内氧化物由 2.3.1 Orowan强化机制 于Orowan机制而产生的屈服应力ooro,如图5所 位错和强化相粒子相遇时，当强化相是比较坚 示.不同尺寸氧化物产生的总Orowan强化应力可 硬且不易发生剪切变形的弥散粒子时，位错主要采 以用式(2)进行计算，总的ooro应力为156MPa 取Orowan弓弯绕过粒子，并在粒子周围留下位错 (图5).图中S、M、B和T分别代表由小、中、大三 环，使合金得到强化.图4给出了12C-0DS钢 种尺寸氧化物产生的各种强化应力和通过式(2)计 中位错受阻发生弓弯的组织形貌.因此，Orowan 算得到的总Orowan强化应力. 弓弯机制将会对材料的强化具有重要的作用.Shao 800 等14)和Thilly等1可分别采用Orowan位错弓弯 翻理论值 机制很好地解释了纳米Ni/A2Og薄膜强度的提高 600 效实验值 以及Cu/Nb纳米复合材料的良好力学性能 400 200 2 氧化物弥 氧化物加 热错配品界屈服 散强化 工强化 强化强化强度 图5各种强化机制计算得到的12Cr-ODS钢的屈服强度和实 测的屈服强度 Fig.5 Yield strengths calculated by different strengthening 图412 Cr-ODS钢中位错受阻组织形貌 mechanisms and experimental value for 12Cr-ODS steel Fig.4 Microstructure of dislocations preventing by oxides in 2.32氧化物弥散强化钢加工强化机制 12Cr-ODS steel 在纳米复合材料中，由于加入了第二相强化粒 本研究所制备的12(-ODS铁素体钢中纳米级 子，将会造成强化相和基体之间界面面积的增加， Y203粒子的硬度较高，强化相颗粒直径为10500 从而导致合金力学性能的提高.氧化物弥散强化合 nn,根据复合材料相关理论，可利用Orowan绕过 金在塑性变形过程中，由于氧化物颗粒的存在，阻 机制对12Cr-ODS铁素体钢的弥散强化机制进行描 碍滑移形变，将会引起合金固溶体内部位错密度的 述. 增加.其原因是氧化物粒子很难变形，而基体发生 研究表明12，由Orowan强化机制而产生的屈 变形，为保证两者相界面连续性而产生所谓的“几 服应力Or。可用下式进行定量计算： 何位错”可，导致位错密度增加，流变应力增大假
第 期 郭丽娜等 氧化物弥散强化钢的强化机理 · · 为晶界强化应力 本研究制备的氧化物弥散强化铁素体钢 , 制造 工艺区别于机械合金化法 , 其最大的特点是氧化物 尺寸不均等 , 分为大中小三种尺寸 , 为 、 , 尺寸分布范围也很 宽 考虑氧化物颗粒尺寸不均对 二 。、 和 , 的影响 , 可以用加和规则对不 同尺寸氧化物产 生的 二 。、 二 和 二 进行计 算 气 一 、 一 — 二一 人 、 口 式 中 为基体室温切变模量 乙为柏 氏 矢量 呻勺 、为氧化物粒子的半径 入为 氧化物粒子的间距 , 可采用下式进行计算 入一漂 氏 万下牙茄再舀 下、 十 万 一一, 下六一 一一一了一 ' ` 州卜 十 式中 为氧化物颗粒 的体积分数 把式 代入式 , 得到 强化应力 二。 。为 九 十加 十儿 尸 乙 — 厅 。、 飞 二 一 了吕 兀 、 式 中 、 和 分别代表 小 、 中和大三种不同尺 寸范围内的氧化物 乞可被 、 和 代替 ·· 强化机制 位错和 强化相粒子相遇时 , 当强化相是 比较坚 硬且不易发生剪切变形的弥散粒子 时 , 位错主要采 取 弓弯绕过粒子 , 并在粒子周围留下位错 环 , 使合金得到强化 图 给出了 一 钢 中位错受阻发生 弓弯的组织形貌 因此 , 弓弯机制将会对材料 的强化具有重要的作用 等 ` 和 等 ` 分别采用 ,, 位错弓弯 机制很好地解释 了纳米 薄膜 强度的提高 以及 纳米复合材料的 良好力学性能 一 钢 中氧化物颗粒 都是随机均匀分布 的 , 根据式 可计算 出不 同尺寸范围内氧化物 由 于 机制而产生的屈服应力 。, 如图 所 示 不同尺寸氧化物产生的总 强化应力可 以用式 进行计算 , 总的 。应力为 图 图中 、 、 和 分别代表 由小 、中 、大三 种尺寸氧化物产生 的各种强化应力和通过式 计 算得到的总 强化应力 霍霞里宝】 下丰,, 酬日吕产躺 鬓霎摹 只侧艺戈 图 一 钢中位错受阻组织形貌 氧化物弥 氧化物加 热错配 晶界 屈服 散强化 仁强化 强化 强化 强度 图 各种强化机制计算得到的 一 钢的屈服强度和实 测的屈服强度 一 , 一 一 入 一 一 、 一 本研究所制备的 一 铁素体钢 中纳米级 粒子的硬度较高 , 强化相颗粒直径为 , , 根据复合材料相关理论 , 可利用 绕过 机制对 一 铁素体钢的弥散强化机制进行描 述 研究表明 “ , 由 强化机制而产生的屈 服应力 。 。可用下式进行定量计算 氧化物弥散强化钢加工强化机制 在纳米复合材料中 , 由于加入了第二相强化粒 子 , 将会造成强化相和基体之间界面面积的增加 , 从而导致合金力学性能的提高 氧化物 弥散强化合 金在塑性变形过程 中 , 由于氧化物颗粒的存在 , 阻 碍滑移形变 , 将会引起合金 固溶体内部位错密度的 增加 其原因是氧化物粒子很难变形 , 而基体发生 变形 , 为保证两者相界面连续性而产生所谓的 “几 何位错 ”口刁, 导致位错密度增加 , 流变应力增大 假
北京科技大学学报 第35卷 .590 设材料在变形后未发生回复，即由氧化物颗粒引起 ACy203=3×10-6℃-1：△T为加工温度与实验测 的位错均保留在材料内，把所有氧化物等效为球形 试温度之差，△T=1150℃.热错配位错强化应力可 粒子，则由氧化物颗粒引起的位错密度变化为) 以采用下式进行计算10.12.21： p=TMfe 1/2 (6) GTMD QGOPIMD (11) brs 式中：p为位错密度；M为Taylor因子，约为 将式(10)代入到式(11)可以得到热错配位错强化 3.061:e为应变量.式(6)假设了合金变形后的 应力为 位错均保留在材料内，这导致对位错密度的累积计 OTMD =QGb 12△CATf11/2 (12) 算达到最大值.但是，材料在实际变形过程中，由 brs(1-f) 于回复过程的作用，加上位错之间的相互作用，都 根据式(12)可以算出不同尺寸范围内氧化物 会在一定程度上减少位错密度.位错的分布也会影 产生的热错配应力.总的应力aTD通过式（②）进 响到其强化效果.Leffers和Pedersen17指出，任何 行计算，约为277MPa,如图5所示 形式的背离不均匀的位错分布都会降低强化效果. 2.3.4晶界强化机制 因此，应给氧化物颗粒引起的形变位错密度的变化 多晶体在塑性变形时，晶粒内滑移位错在晶界 (式(6)加上位错残留系数C(0po,则 变量e=1%时由不同尺寸的氧化物引起的加工强化 将式(14)代入式(15)可得晶粒尺寸（晶界强化）对 应力wH可以通过式（⑨）计算得到，总的应力owm 材料屈服强度的贡献： 通过式(2)进行计算，约为126MPa,如图5所示. 2.3.3热错配位错强化机制 OGB 1.2KG CAbE12 (16) 由于强化相和基体之间不同的热膨胀系数，当 D 复合材料从热加工温度冷却下来时，会在纳米强化 式中：D为合金的平均晶粒尺寸.从上式可以看出， 相附近产生热应力.这些热应力随着与相界面距离 晶粒尺寸越小，cGB的值越大.将各参数代入式(16) 的增加而迅速下降，不过它将会在纳米强化相与基 可求得oGB=191MPa,如图5所示. 体相界面附近产生位错，已经通过实验观测到基体 各种强化机制对12Cr-ODS铁素体钢屈服强度 与强化相相界面附近存在的高密度位错19-20). 的贡献和实测的屈服强度如图5所示.从图中可以 由强化相和基体的热错配导致的材料密度的 看出，由各种强化机制计算得到的屈服强度总和为 增加pTMD可以表示为0,22： 750MPa,其中Orowan强化应力、氧化物弥散强化 △CATf 钢加工强化应力、热错配位错强化应力以及晶界强 PTMD 12. (10) "brs(1-f) 化应力分别占总强化应力的20.8%、16.8%、36.9%和 式中：△C为强化相(Y203)和基体(12.5Cr-2.5W- 25.5%,计算出的理论强化应力与合金实际测得的 0.4Ti-0.002V)热膨胀系数之差，△C=△Ca-Fe- 屈服强度数值738MPa吻合较好
5 9 0 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 设材料在变形后未发生回复 , 即由氧化物颗粒引起 的位错均保 留在材料 内 , 把所有氧化物等效为球形 粒子 , 则 由氧化物颗粒引起的位错密度变化为 ' 兀 介 一不万 式 中 为位错密度 为 因子 , 约为 为应变量 式 假设 了合金变形后的 位错均保留在材料 内 , 这导致对位错密度的累积计 算达到最大值 但是 , 材料在实际变形过程 中 , 由 于回复过程的作用 , 加上位错之间的相互作用 , 都 会在一 定程度上减少位错密度 位错的分布也会影 响到其强化效果 和 ` 指出 , 任何 形式的背离不均匀的位错分布都会 降低强化效果 因此 , 应给氧化物颗粒引起的形变位错密度的变化 式 加上位错残留系数 。 , 取为 , 则式 转化为 ■。 。 又 一 ℃一` ■ 为加工温度与实验测 试温度之差 , ■ 二 ℃ 热错配位错强化应 力可 以采用下式进行计算 '。,` ,“` 一 如狱 将式 代入到式 可 以得到热错配位错强化 应力为 · 、,一。乙豁哭书`· 兀叮了 一而否一 式中 为 由氧化物颗粒引起 的位错密度 由氧 化物质点造成的加工强化应力 。 可以用下式进行 计算 ' 乙 。` , 式中 。 为位错强化系数 , 采用 进行 计算 〕 把式 代入式 , 可得到由氧化物颗粒引起的加 工强化应力表达式为 根据式 可以算 出不同尺 寸范围 内氧化物 产生的热错配应力、 总的应力 二 通过式 进 行计算 , 约 为 , 如 图 所示 晶界强化机制 多晶体在塑性变形时 , 晶粒 内滑移位错在晶界 受 阻后 , 而导致 晶界应力升高 , 阻碍进一步变形 晶界的存在使位错密度 增加 , 从而改变流变应力 , 如假设位错均为柏 氏矢量为 乙的位错 , 则 二 与 位错密度 的关系为 , 办 · 式 中 常数 、 晶界的存在引起的位错密度 的 增加 床、 为 ` 二 入 一 一 、 兀 ` 假设材料塑性变形前基体的位错密度为 户。, 则根据 式 可求 出晶界引起的位错密度增加导致流变应 力的增加 为 由图 合金的应力 一应变 曲线可知 ,在 左 右 , 合金进入屈服阶段 , 故选择 。 进行计算 形 变量 时由不同尺寸的氧化物 引起 的加工强化 应力 。 可以通过式 计算得到 , 总的应力 二 通过式 进行计算 , 约为 , 如图 所示 热错配位错强化机制 由于强化相和基体之间不同的热膨胀系数 , 当 复合材料从热加工温度冷却下来时 , 会在纳米强化 相附近产生热应力 这些热应力随着与相界面距离 的增加而迅速下降 , 不过它将会在纳米强化相与基 体相界面附近产生位错 , 己经通过实验观测到基体 与强化相相界面附近存在的高密度位错 `”一 由强化相和基体 的热错 配导致 的材料密度 的 增加 , 二 。可以表示为 , , 了户 户。一训两了 如忽略形变前基体中的位错 , 即假设 》 。, 则 将式 代入式 可得晶粒尺寸 晶界强化 对 材料屈服强度 的贡献 一州瞥 件` 二 ■ ■ , 一 式中 ■ 为强化相 和基体 一 一 热膨胀系数之差 , ■ 二 ■ 一 一 式 中 为合金的平均 晶粒尺寸 从上式可 以看 出 , 晶粒尺寸越小 允 的值越大 将各参数代入式 可求得 , 如图 所示 各种强化机制对 一 铁素体钢屈服强度 的贡献和实测的屈服强度如图 所示 从 图中可以 看 出 , 由各种强化机制计算得到的屈服强度总和为 , 其 中 强化应力 、氧化物弥散强化 钢加工强化应力 、热错配位错强化应力 以及 晶界强 化应力分别占总强化应力的 、 、 和 , 计算 出的理论强化应力与合金实 际测得的 屈服强度数值 吻合较好
第5期 郭丽娜等：氧化物弥散强化钢的强化机理 ·591· 3 结论 ferritic steel by a new fabrication route.Mater Sci Eng (1)通过乙二胺四乙酸络合溶胶-凝胶法向合 A,2010,52720):5220 [9 Guo L N,Jia CC,Hu B F.Oxides formation mechanism of 金粉中添加氧化物所制备的12Cr-ODS钢为等轴的 oxide dispersion strengthened 12Cr steel by complex sol- 铁素体组织，平均晶粒尺寸为1.5m,不同尺寸氧 gel method.Acta Mater Compos Sin,2011,28(4):124 化物在基体中均匀分布. (郭圆娜，贾成厂，胡本芙.络合溶胶-凝胶法制备氧化物弥 (2)氧化物弥散强化、氧化物弥散强化钢加工 散强化12Cr钢中氧化物的形成机制.复合材料学报，2011， 强化、热错配位错强化和晶界强化组成的综合强化 28(4):124) 是12Cr-ODS铁素体钢的主要强化方式，其中热错 10]Afshar A,Simchi A.Flow stress dependence on the grain 配应力导致的强化贡献最大. size in alumina dispersion-strengthened copper with a bi- modal grain size distribution.Mater Sci Eng A,2009, (3)各种强化机制计算得到屈服强度总和为 518(1/2:41 750MPa,与12Cr-ODS铁素体钢的实测值738MPa (11]Srinivasan D,Corderman R,Subramanian P R.Strength- 相吻合， ening mechanisms (via hardness analysis)in nanocrys- talline NiCr with nanoscaled Y2O3 and Al2O3 dispersoids. Mater Sci Eng A,2006,416(1/2):211 参考文献 [12]Zhang Z,Chen D L.Consideration of Orowan strengthen- ing effect in particulate-reinforced metal matrix nanocom- [1]Gu H Y,Yu Y Q,Cheng X,et al.Numerical analysis of posites:a model for predicting their yield strength. thermal-hydraulic behavior of supercritical water in verti- Scripta Mater,2006,54(7):1321 cal upward/downward flow channels.Nucl Sci Tech,2008, [13 Kudashov D V,Baum H,Martin U,et al.Microstruc- 19(3):178 ture and room temperature hardening of ultra-fine-grained [2]Verhiest K,Almazouzi A,De Wispelaere N,et al.Devel- oxide-dispersion strengthened copper prepared by cry- opment of oxides dispersion strengthened steels for high omilling.Mater Sci Eng A,2004,387-389:768 temperature nuclear reactor applications.J Nucl Mater, [14]Shao I,Vereecken P M,Chien C L,et al.Synthe- 2009,385(2):308 sis and characterization of particle-reinforced Ni/Al2O3 [3 Murty K L,Charit I.Structural materials for Gen-IV nanocomposites.J Mater Res,2002,17(6):1412 nuclear reactors:challenges and opportunities.J Nucl [15]Thilly L,Veron M,Ludwig O,et al.Deformation mecha- Mater,2008,383(1/2:189 nism in high strength Cu/Nb nanocomposites.Mater Sci [4]Miao P,Odette G R,Yamaoto T,et al.Effects of consoli- EmgA,2001,309/310:510 dation temperature,strength and microstructure on frac- [16]Tian B H,Liu P,Song K X,et al.Microstructure and prop- ture toughness of nanostructured ferritic alloys.J Nucl erties at elevated temperature of a nano-Al2Os particles ater,2007,367:208 dispersion-strengthened copper base composite.Mater [5]Ortega Y,Monge M A,de Castro V,et al.Void formation Sc1EngA,2006,435/436:705 in ODS EUROFER produced by hot isostatic pressing.J [17]Leffers T,Pedersen O B.The strength of polycrys- Nucl Mater,2009,386-388:462 tals//Strength of Metals E Alloys (ICSMA 6),Volume 6 Hu B F,Guo L N,Yang Z B,et al.Irradiation damage 1.Melbourne,1982:75 behavior of oxide dispersion strengthened phase in 12Cr- [18]Preininger D.Modelling of the effect of precipitates ODS ferrite steel.At Energy Sci Technol,2011,45(3): on work-hardening,ductility and impact behaviour of 319 ferritic-martensitic Cr steels.J Nucl Mater,2002,307- (胡本芙，郭丽娜，杨占兵，等.12Cr-ODS钢中氧化物强 311:514 化相(Y2O3)辐照损伤行为研究，原子能科学技术，2011， [19]Dunand D C,Mortensen A.Reinforced silver chloride as a 45(3):319) model material for the study of dislocations in metal ma- [7]Hu B F,Guo L N,Jia CC,et al.Effect of He on 12Cr-ODS trix composites.Mater Sci Eng A,1991,144(1/2):179 ferritic steel structural damage during (He/e-)dual- [20]Arsenault R J,Shi N.Dislocation generation due to dif- beam irradiation.Nucl Power Eng,2011,32(3):48 ferences between the coefficients of thermal expansion. (胡本芙，郭丽娜，贾成厂，等.双束(He+/e)辐照下氡 Mater Sci Eng,1986,81:175 对12Cr-ODS铁素体钢组织损伤影响研究.核动力工程， [21]Badmos A Y,Bhadeshia H K D H.Tensile properties of 2011,32(3):48) mechanically alloyed oxide dispersion strengthened iron [8]Guo L N,Jia CC,Hu B F,et al.Microstructure and alloys:Part 2.Physical interpretation of yield strength mechanical properties of an oxide dispersion strengthened Mater Sci Technol,1998,14(12):1221
第 期 郭丽娜等 氧化物弥散强化钢的强化机理 · · 结论 通过乙二胺四乙酸络合溶胶 一凝胶法 向合 金粉 中添加氧化物所制备的 一 钢为等轴的 铁素体组织 , 平均 晶粒尺寸为 卜 , 不 同尺寸氧 化物在基体 中均匀分布 氧化物弥散强化 、 氧化物弥散强化钢加工 强化 、热错配位错 强化和 晶界强化组成的综合强化 是 一 铁素体钢的主要强化方式 , 其中热错 配应力导致的强化贡献最大 各种强化机 制计算得 到屈服 强度总和 为 , 与 一 铁素体钢的实测值 相吻合 参 考 文 献 , , , 一 、 刀 , , 」 , , , · 钊 践 , 【 , 一 王 气 , 」 , , , , 叮 叽 , 」 , , , · 亡 , , 一 【』 , , , 眼 印, 坛 , , 胡本芙, 郭丽娜 , 杨 占兵, 等 一 钢 中氧化物强 化相 辐照损伤行为研究 原子能科学技术, , 」 , , , 一 一 ·瓜 、 硫 夕, 。 胡本芙, 郭丽娜, 贾成厂 , 等 双束 一 辐照下氦 对 一 铁素体钢组织损伤影响研究 核动力工程, , 【」 , , , 材 亡 丁 几 , , 【」 , , 云 艺 。夕 从。, , 郭丽娜, 贾成厂 , 胡本芙 , 络合溶胶 一凝胶法制备氧化物弥 散强化 钢中氧化物的形成机制 复合材料学报 , , 【 , 一 亡 几 , , , , · 乞 。夕 , , 【 , 呷 亡 艺。, , 【 , , , · 一 一 乞刀 夕 , , 一 【 , , , · 一 亡 , , 【 」 , ` , , 亡 肠 , , 【 」 , , , 一 夕 , , 【 , · 亡二二夕 可 对 亡 已 夕 , , 【 」 一 , 一 钊 亡气 , , 议 , 硫 夕 , , 【 」 , 亡 乞 几夕, , , 界 叮 艺 , ,