·558 北京科技大学学报 第31卷 伏一9.钛是一种强碳、氮化物形成元素，在钢中氮 空用超高强度钢疲劳性能如何影响的问题是一个亟 含量极低的情况下，也能形成TN或Ti(C,N)非金 待解决的问题，研究航空用超高强度钢中夹杂物特 属夹杂物.TN或Ti(C,N)是具有尖锐棱角的多边 征参数对疲劳裂纹萌生与扩展的影响具有重要的工 形夹杂物，对MA250钢的疲劳性能危害很大， 程价值.本文采用扫描电镜原位观测的方法，跟踪 致使MA250钢的强度与疲劳性能不能同时得以提 观察拉伸和低周疲劳载荷作用下这两种超高强度钢 高.为了消除TiN或T(C,N)夹杂物，得到具有高 中夹杂物导致裂纹萌生及扩展的微观行为，研究不 强度、高疲劳性能的结构钢，20世纪90年代美国通 同加载方式下夹杂物特征参数（即种类、形态及尺 用(GE航空发动机公司的Rhoads等进行了大量实 寸)对裂纹萌生与扩展的影响，为材料疲劳性能的预 验研究，得到了以合金碳化物与金属间化合物 测及合金设计与制备提供可靠的依据， Ni3Al、NiA1为强化相的高性能超高强度钢g10.他 1实验材料和方法 们预期，这种高性能超高强度钢中夹杂物主要为 A203,由于Ab03夹杂的形状比较圆滑，对钢疲劳 两种超高强度钢均采用VM十VAR(真空感应 性能的危害应比TN夹杂小得多，因此认为这种高 熔化十真空自耗重熔)法治炼，其主要化学成分如 性能超高强度钢的疲劳性能应比马氏体时效钢好. 表1所示. 由此可见，夹杂物种类、形状和尺寸等特征参数对航 表1两种超高强度钢的主要化学成分（质量分数） Table I Main chemical composition of two ultra-high strength steels % 钢种 Ni Co Mo Ti Al C N Fe MA250 1814 831 5.04 045 0.09 017 00014 Q02 余量 高性能钢 1400 1000 1.40 000 090 250 00015 0217 余量 从表1可以看出，高性能钢中不含Ti,且Ni和 寸为8~10m,弹性模量E=600GPa:高性能钢中 Mo含量也比MA250钢少，因而钢中不生成Ni3Ti 的夹杂物主要为AN而非Al2O3,有的以单个形式 强化相，Ni3Mo强化相的数量也比MA250钢少.为 存在，有的以点链状形式存在，形状大多为长方形或 了弥补因强化相数量减少而使钢强度下降的缺陷， 近似长方形，单个夹杂的平均尺寸约4m,弹性模 钢中增加C、A1和Cr含量，以形成合金碳化物与 量E=308GPa.与表2所示母材的弹性模量相比， Ni3Al、NiA1强化相，并增加Co含量. TiN、AIN夹杂均属硬质夹杂， 两种超高强度钢的主要热处理工艺为：对于 表2两种超高强度钢室温下的主要力学性能 MA250钢，先将其加热至940~970℃固溶处理1h Table 2 Main mechanical properties of two ultra-high stmength steels at 后空冷至90℃以下，然后再将其加热至(790士 room temperature 14)℃保温1.5h后空冷至室温，最后将它加热到 钢种 00./M Pa a/M Pa % %E/GPa (455士140时效9h后空冷至室温：对于高性能超 MA250 1848 1910 12-1550-55 190 高强度钢，先将其加热至885~912℃固溶处理1h, 高性能钢 1889 2068 12-1550-55 190 空冷至90℃以下，然后在24h内对材料进行冷处 理，即将材料降温至一59~一87℃保温1h后放入 将大块试样线切割成0.5mm厚的薄片，并将 空气中升温，待温度升至室温后，将其放入190~ 其表面抛光，然后在光学显微镜下寻找合适的夹杂 218℃的加热炉中保温5~8h,而后空冷至室温，最 物，并在试样表面标定其位置.采用SEM及EDS 后将它加热至(496士9)℃保温10h后空冷至室温. 确定其成分，选定所需类型的夹杂物作为原位观测 两种超高强度钢室温下的主要力学性能如表2 用夹杂物.将试片线切割成图1所示的试样，并使 所示.从表2可以看出，高性能钢的屈服强度和抗 所选夹杂物位于试样标距中心.适当腐蚀，使夹杂 拉强度均比MA250钢略高，而其延伸率、断面收缩 物与母材界面清晰，便于观察.为了能在SEM下快 率和弹性模量则与MA250钢完全相同. 速准确地找到所要观测的夹杂物，在所选夹杂物附 SEM(扫描电子显微镜)及EDS(X射线能量色 近用9.8N、30s的加载方式打压痕. 散谱)分析表明：MA250钢中的夹杂物主要为TiN, 原位拉伸与疲劳实验均在SS一550型带扫描电 基本以单个形式存在，具有规则的几何外形，平均尺 镜高温电液伺服疲劳试验机上进行，实验温度为室钛 [ 2-4] .钛是一种强碳 、氮化物形成元素, 在钢中氮 含量极低的情况下, 也能形成 TiN 或 Ti( C, N) 非金 属夹杂物 .TiN 或 Ti( C, N) 是具有尖锐棱角的多边 形夹杂物, 对 MA250 钢的疲劳性能危害很大[ 5-8] , 致使 MA250 钢的强度与疲劳性能不能同时得以提 高.为了消除 TiN 或 Ti( C, N) 夹杂物, 得到具有高 强度、高疲劳性能的结构钢, 20 世纪 90 年代美国通 用( GE) 航空发动机公司的 Rhoads 等进行了大量实 验研究, 得到了以合金碳化物与金属间化合物 Ni3Al 、NiAl 为强化相的高性能超高强度钢[ 9-10] .他 们预期, 这种高性能超高强度钢中夹杂物主要为 Al2O3, 由于 Al2O3 夹杂的形状比较圆滑, 对钢疲劳 性能的危害应比 TiN 夹杂小得多, 因此认为这种高 性能超高强度钢的疲劳性能应比马氏体时效钢好 . 由此可见, 夹杂物种类、形状和尺寸等特征参数对航 空用超高强度钢疲劳性能如何影响的问题是一个亟 待解决的问题, 研究航空用超高强度钢中夹杂物特 征参数对疲劳裂纹萌生与扩展的影响具有重要的工 程价值.本文采用扫描电镜原位观测的方法, 跟踪 观察拉伸和低周疲劳载荷作用下这两种超高强度钢 中夹杂物导致裂纹萌生及扩展的微观行为, 研究不 同加载方式下夹杂物特征参数( 即种类 、形态及尺 寸) 对裂纹萌生与扩展的影响, 为材料疲劳性能的预 测及合金设计与制备提供可靠的依据 . 1 实验材料和方法 两种超高强度钢均采用 V IM +VAR( 真空感应 熔化 +真空自耗重熔) 法冶炼, 其主要化学成分如 表 1 所示. 表 1 两种超高强度钢的主要化学成分( 质量分数) Table 1 Main chemical composition of two ultra-high strength st eels % 钢种 Ni Co M o Ti Al Cr N C Fe MA250 18.14 8.31 5.04 0.45 0.09 0.17 0.001 4 0.002 余量 高性能钢 14.00 10.00 1.40 0.00 0.90 2.50 0.001 5 0.217 余量 从表 1 可以看出, 高性能钢中不含 Ti, 且 Ni 和 M o 含量也比 MA250 钢少, 因而钢中不生成 Ni3 Ti 强化相, Ni3Mo 强化相的数量也比 MA250 钢少 .为 了弥补因强化相数量减少而使钢强度下降的缺陷, 钢中增加 C 、Al 和 Cr 含量, 以形成合金碳化物与 Ni3Al 、NiAl 强化相, 并增加 Co 含量. 两种超高强度钢的主要热处理工艺为 :对于 M A250 钢, 先将其加热至 940 ～ 970 ℃固溶处理 1 h 后空冷至 90 ℃以下, 然后再将其加热至( 790 ± 14) ℃保温 1.5 h 后空冷至室温, 最后将它加热到 ( 455 ±14) ℃时效 9 h 后空冷至室温;对于高性能超 高强度钢, 先将其加热至 885 ～ 912 ℃固溶处理 1 h, 空冷至 90 ℃以下, 然后在 24 h 内对材料进行冷处 理, 即将材料降温至 -59 ～ -87 ℃保温 1 h 后放入 空气中升温, 待温度升至室温后, 将其放入 190 ～ 218 ℃的加热炉中保温 5 ～ 8 h, 而后空冷至室温, 最 后将它加热至( 496 ±9) ℃保温 10 h 后空冷至室温 . 两种超高强度钢室温下的主要力学性能如表 2 所示.从表 2 可以看出, 高性能钢的屈服强度和抗 拉强度均比 M A250 钢略高, 而其延伸率、断面收缩 率和弹性模量则与 MA250 钢完全相同. SEM( 扫描电子显微镜) 及 EDS( X 射线能量色 散谱) 分析表明 :MA250 钢中的夹杂物主要为 TiN, 基本以单个形式存在, 具有规则的几何外形, 平均尺 寸为 8 ～ 10μm, 弹性模量 E =600 GPa;高性能钢中 的夹杂物主要为 AlN 而非 Al2O3, 有的以单个形式 存在, 有的以点链状形式存在, 形状大多为长方形或 近似长方形, 单个夹杂的平均尺寸约 4 μm, 弹性模 量 E =308GPa .与表 2 所示母材的弹性模量相比, TiN 、AlN 夹杂均属硬质夹杂. 表 2 两种超高强度钢室温下的主要力学性能 Table 2 Main mechanical properties of tw o ultra-high strength st eels at room temperature 钢种 σ0.2 /M Pa σb /M Pa δ/ % ψ/ % E/ GPa MA250 1 848 1 910 12 ～ 15 50 ～ 55 190 高性能钢 1 889 2 068 12 ～ 15 50 ～ 55 190 将大块试样线切割成 0.5 mm 厚的薄片, 并将 其表面抛光, 然后在光学显微镜下寻找合适的夹杂 物,并在试样表面标定其位置.采用 SEM 及 EDS 确定其成分, 选定所需类型的夹杂物作为原位观测 用夹杂物 .将试片线切割成图 1 所示的试样, 并使 所选夹杂物位于试样标距中心 .适当腐蚀, 使夹杂 物与母材界面清晰, 便于观察.为了能在 SEM 下快 速准确地找到所要观测的夹杂物, 在所选夹杂物附 近用 9.8 N 、30 s 的加载方式打压痕 . 原位拉伸与疲劳实验均在 SS -550 型带扫描电 镜高温电液伺服疲劳试验机上进行, 实验温度为室 · 558 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷