增刊1 郑宏光等：Zr对Fe-36Ni因瓦合金凝固组织和热塑性的影响 ·149· 进一步进行，这些微空洞长大、聚集形成裂纹：同时， 试样均展现了良好的热塑性.试样在此温度范围内 由于粗大柱状晶品成直线生长，笔直的晶界易于裂纹 具有良好的热塑性是因为发生了动态再结晶，如图 的延伸和扩展，最终导致沿晶界脆性断裂.因此，较 7所示，晶粒完全为等轴晶形状.动态再结晶是获 低的晶界强度以及晶界滑移的出现是导致1·合金 得高的晶界迁移驱动力的一种方法，使晶界在高温 在850~1000℃及2"合金在850~900℃温度范围 高应变下获得足够的驱动力而发生迁移，显著提高 内热塑性恶化的主要原因. 合金的热塑性P 2"合金1000℃时断口附近的纵截面形貌如 图5(b)所示.可见，晶界上并没有明显的裂纹出 现，说明晶界得到了强化；原先细长的柱状晶沿宽度 方向发生了明显的塑形变形，晶粒变成近似等轴晶 形状，说明在变形过程中晶界发生了移动.晶粒发 生塑形变形也可从真应力应变曲线得到证实，如 图6所示，在同一温度下，试样断裂之前，其延伸率 明显增加.高温脆性产生的根本原因是高温变形时 晶界强度的降低和晶界滑移的发生，如果在高温变 150m 形的过程中，提高品界的强度，限制品界的滑移而增 加品界的迁移，钢的热塑性就会得到显著的提 图71050℃时动态再结品形貌 高0.添加细化剂后，柱状晶明显变细变短，单位体 Fig.7 Evidence of dynamic recrystallization at 1050 C 积内晶界的数量增多，减少了晶界上析出物的密度， 强化了晶界：晶界增多，限制了滑移的进行：晶界呈 4 结论 网篮状交错，使得滑移不断改变方向，从而降低了裂 (1)经0.081%Zr处理后，Fe-36Ni因瓦合金 纹扩展率，通过滑移在三重点处的裂纹难以增加；晶 的凝固组织得到显著的细化，柱状晶明显变细变短， 界强化使晶界的强度大于晶内的强度，在高温变形 生长形态由直线状生长变为网篮状交错生长 的过程中，晶粒发生变形而导致晶界发生移动，使因 (2)温度低于1050℃时，Fe-36Ni因瓦合金热 晶界滑移产生的空穴和微裂纹被包含于晶粒内部， 塑性较差，晶界强度较低以及晶界滑移是导致热塑 阻止了裂纹的扩展，致使这些裂纹不能在晶界聚集 性较差的主要原因.添加0.081%Zr通过细化晶粒 和长大，最终这些内含于晶内的裂纹在变形时只能 来强化晶界、限制晶界的滑移和促进晶界的迁移，从 通过裂纹尖端的剪切力横穿整个晶粒才能聚集发展 而完全抑制了950~1000℃脆性区，显著提高了合 为空洞而断裂.因此，在950~1000℃温度范围内， 金的热塑性，温度高于1050℃，由于动态再结晶出 2"合金热塑性提高的主要原因是晶界强度的提高和 现，合金展现出了良好的热塑性. 晶界迁移的出现 当温度达到或超过1050℃，1"合金和2合金的 参考文献 100 一1合金.950C--2合金，950C [1]Zhao Y,Sato Y S,Kokawa H,Wu A.Microstructure and proper- 90 -1"合金，1000C--2合金，1000 ties of friction stir welded high strength Fe36wt%Ni alloy.Mater 80 Sei Eng A,2011,528(25-26):7768 70 2]Jasthi B K,Arbegast WJ,Howard S M.Thermal expansion coeffi- 604 cient and mechanical properties of friction stir welded invar Fe- 50 36%Ni).J Mater Eng Perform,2009,18(7):925 B] Park N J,Oh M H,Kim S M.Effects of texture on the etching 30 property of Fe-36%Ni invar sheets.Met Mater,2007,6(1):51 20 4]Mintz B,Crowther D N.Hot ductility of steels and its relationship to the problem of transverse cracking in continuous casting.Int 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Mater Rev,2010,55(3):168 真应变 [5]Vodopivec F,Torkar M,Debelak M,et al.Influence of alumin- 图6实验合金随温度变化的真应力一应变曲线 ium on solidification structure and initial deformability of continu- Fig.6 True stress-strain curves as a function of temperature for test- ously cast C-Mn-Si-N steel.Mater Sci Technol,1988,4(10): ed alloys 917增刊 1 郑宏光等: Zr 对 Fe--36Ni 因瓦合金凝固组织和热塑性的影响 进一步进行，这些微空洞长大、聚集形成裂纹; 同时， 由于粗大柱状晶成直线生长，笔直的晶界易于裂纹 的延伸和扩展，最终导致沿晶界脆性断裂． 因此，较 低的晶界强度以及晶界滑移的出现是导致 1# 合金 在 850 ～ 1000 ℃ 及 2# 合金在 850 ～ 900 ℃ 温度范围 内热塑性恶化的主要原因． 图 6 实验合金随温度变化的真应力--应变曲线 Fig． 6 True stress-strain curves as a function of temperature for test￾ed alloys 2# 合 金 1000 ℃ 时断口附近的纵截面形貌如 图 5( b) 所示． 可见，晶界上并没有明显的裂纹出 现，说明晶界得到了强化; 原先细长的柱状晶沿宽度 方向发生了明显的塑形变形，晶粒变成近似等轴晶 形状，说明在变形过程中晶界发生了移动． 晶粒发 生塑形变形也可从真应力应变曲线得到证实，如 图 6所示，在同一温度下，试样断裂之前，其延伸率 明显增加． 高温脆性产生的根本原因是高温变形时 晶界强度的降低和晶界滑移的发生，如果在高温变 形的过程中，提高晶界的强度，限制晶界的滑移而增 加晶 界 的 迁 移，钢的热塑性就会得到显著的提 高［4］． 添加细化剂后，柱状晶明显变细变短，单位体 积内晶界的数量增多，减少了晶界上析出物的密度， 强化了晶界; 晶界增多，限制了滑移的进行; 晶界呈 网篮状交错，使得滑移不断改变方向，从而降低了裂 纹扩展率，通过滑移在三重点处的裂纹难以增加; 晶 界强化使晶界的强度大于晶内的强度，在高温变形 的过程中，晶粒发生变形而导致晶界发生移动，使因 晶界滑移产生的空穴和微裂纹被包含于晶粒内部， 阻止了裂纹的扩展，致使这些裂纹不能在晶界聚集 和长大，最终这些内含于晶内的裂纹在变形时只能 通过裂纹尖端的剪切力横穿整个晶粒才能聚集发展 为空洞而断裂． 因此，在 950 ～ 1000 ℃ 温度范围内， 2# 合金热塑性提高的主要原因是晶界强度的提高和 晶界迁移的出现． 当温度达到或超过 1050 ℃，1# 合金和 2# 合金的 试样均展现了良好的热塑性． 试样在此温度范围内 具有良好的热塑性是因为发生了动态再结晶，如图 7 所示，晶粒完全为等轴晶形状． 动态再结晶是获 得高的晶界迁移驱动力的一种方法，使晶界在高温 高应变下获得足够的驱动力而发生迁移，显著提高 合金的热塑性［21］． 图 7 1050 ℃时动态再结晶形貌 Fig． 7 Evidence of dynamic recrystallization at 1050 ℃ 4 结论 ( 1) 经 0. 081% Zr 处理后，Fe--36Ni 因瓦合金 的凝固组织得到显著的细化，柱状晶明显变细变短， 生长形态由直线状生长变为网篮状交错生长． ( 2) 温度低于 1050 ℃ 时，Fe--36Ni 因瓦合金热 塑性较差，晶界强度较低以及晶界滑移是导致热塑 性较差的主要原因． 添加 0. 081% Zr 通过细化晶粒 来强化晶界、限制晶界的滑移和促进晶界的迁移，从 而完全抑制了 950 ～ 1000 ℃ 脆性区，显著提高了合 金的热塑性，温度高于 1050 ℃，由于动态再结晶出 现，合金展现出了良好的热塑性． 参 考 文 献 ［1］ Zhao Y，Sato Y S，Kokawa H，Wu A． Microstructure and proper￾ties of friction stir welded high strength Fe-36wt% Ni alloy． Mater Sci Eng A，2011，528( 25--26) : 7768 ［2］ Jasthi B K，Arbegast W J，Howard S M． Thermal expansion coeffi￾cient and mechanical properties of friction stir welded invar ( Fe- 36% Ni) ． J Mater Eng Perform，2009，18( 7) : 925 ［3］ Park N J，Oh M H，Kim S M． Effects of texture on the etching property of Fe-36% Ni invar sheets． Met Mater，2007，6( 1) : 51 ［4］ Mintz B，Crowther D N． Hot ductility of steels and its relationship to the problem of transverse cracking in continuous casting． Int Mater Ｒev，2010，55( 3) : 168 ［5］ Vodopivec F，Torkar M，Debelak M，et al． Influence of alumin￾ium on solidification structure and initial deformability of continu￾ously cast C-Mn-Si-N steel． Mater Sci Technol，1988，4 ( 10 ) : 917 ·149·