铜镍合金（monel400/UNS 4400）化学性能参数

2023-07-03 16:53 作者:祯赋上海实业有限公司 0人读过 | 我要投稿

Monel400简介：

Monel400合金是一种铜镍合金耐蚀性优良，在各种媒介中具有良好的耐腐蚀性，焊接性能好、高强度中度，该合金已在多种场合中应用。在咸水或海水具有耐孔蚀、应力腐蚀能力.尤其是耐氢氟酸和耐盐酸.海洋工业Monel k500

前言

Monel-400合金是一种镍基合金，其主要成分是镍金属，同时还含有铜金属。它具有高强度和高耐蚀等优良的物理特性，同时还表现出良好的物理性能和机械性能。因此，Monel-400合金在石油化工、核工业、国防工业等先进工业领域中被大量使用于关键零部件。但是，由于monel-400合金具有较小的导热系数(21.744W/mK)和线膨胀系数(13.86×10⁻*K-')，因此它在焊接过程中容易受到热裂倾向的影响。在局部加热和冷却的条件下，可能会引发严重的应力和变形问题，从而导致焊接接头出现焊缝凝固裂纹的情况。目前对于高温下的monel-400合金力学性能的研究非常有限。

本研究以monel-400合金为研究对象，通过进行高温拉伸试验，分析了该合金在不同温度下的力学性能变化。目的在于增加对monel-400合金高温力学性能的了解，以供后续焊接相关研究参考。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验所使用的材料是monel-400合金，合金的化学成分可以在表1中找到，显微组织特点可以在图1中看到，主要为单相多边形奥氏体组织。

1.2试验方法

在Gleeble-1500D热模拟实验机上进行的Monel-400合金高温拉伸试验，根据试验要求，需要通过钼丝切割对材料进行加工，制成规格为φ6×120mm的试样。在进行试验之前，需要确保试样的表面处理干净，并且测定其原始直径。将试样安装到热模拟机上后，在两个夹头之间测量标距尺寸。试样的加热是通过将试样放入模拟机闭合回路中实现的。将样品以每秒10摄氏度的速度加热到1100摄氏度，并保持3分钟，然后以每秒3摄氏度的速度降低到不同的试验温度（分别为600摄氏度、700摄氏度、800摄氏度、900摄氏度、1000摄氏度和1100摄氏度）。在每次试验温度下，以每秒10的负三次方倍的应变速率开始拉伸，直到样品断裂。整个试验过程是在真空状态下完成的。最后将高温拉伸试样的断口用手工锯切下来，做成扫描电镜样品，在扫描电镜下完成对断口的扫描。

2 试验结果

2.1高温拉伸性能

在不同温度下拉伸的应力-应变曲线，可见于图2中的monel-400合金。根据图中显示的情况，随着试验温度的升高，monel-400合金的强度明显变弱，抗拉强度也随之减小。例如，该合金在温度为600℃时的抗拉强度为106.49MPa，在1100℃时的抗拉强度为22.41MPa，这表明变形温度对该合金的变形抗力有很大的影响。合金的弹性变形较小，但随着温度的升高，塑性变形明显增加。的11.22%升高到900℃的20.05%,断面收缩率从700℃的20.47%升高到900℃的60.05%,说明在这个温度区间内随着拉伸温度的升高塑性变得越来越好。之后随着拉伸温度的继续升高，合金的塑性呈减小的趋势，到1100℃时基本减小到800℃时的水平。从曲线的整体来看呈现出先升高后降低的趋势，说明monel-400合金的高温塑性先随拉伸温度的升高而变好并且在900℃左右时达到一个较好的性能，后随拉伸温度的升高高温塑性变坏直到趋近于低温水平。

图3和图4是monel-400合金在不同拉伸温度下的热强度和热塑性曲线。从图中可以看出：试样随着拉伸温度的升高，合金的塑性先发生了降低，合金的延伸率从600℃的13.26%降到700℃11.22%,断面收缩率从600℃的24.26%降到700℃

的20.47%。随后拉伸温度继续升高，延伸率从700℃的11.22%升高到900℃的20.05%,断面收缩率从700℃的20.47%升高到900℃的60.05%,说明在这个温度区间内随着拉伸温度的升高塑性变得越来越好。之后随着拉伸温度的继续升高，合金的塑性呈减小的趋势，到1100℃时基本减小到800℃时的水平。从曲线的整体来看呈现出先升高后降低的趋势，说明monel-400合金的高温塑性先随拉伸温度的升高而变好并且在900℃左右时达到一个较好的性能，后随拉伸温度的升高高温塑性变坏直到趋近于低温水平。

从图4中可以看出，在600～800℃的范围内，monel-400出现了低塑现象，延伸率和断面收缩率在600～700℃的范围内是降低的，在700～800℃的范围内开始恢复，材料的强度在下降后没有发生恢复。很多金属都存在有“热脆”现象，当金属在一定温度区间进行热加工时，材料的塑性会出现一个“下降-恢复”的区间，分布于晶界的低熔点的共晶体熔化而导致开裂。但是不同的金属材料在经过不同的受热过程后，在低塑的温度范围、塑性的下降和恢复速率及塑性的下降值等方面都不同。通过本课题研究证明monel-400合金在中焊接时也存在“热脆”现象。

Monel-400合金是Ni-Cu固溶体的单相奥氏体合金],从Cu-Ni合金二元相图中可以得到：当Cu含量在31.8%时，温度在1200℃以上时才能发生由单相奥氏体向液相+奥氏体转变，才能发生部分晶粒熔化。而在焊接过程中形成的一些夹杂物及低熔点共晶物容易沿奥氏体晶界分布，这些晶界物质强度低，脆性大，与奥氏体的变形能力有较大差异。它们与周围金属基体结合力较弱，容易产生热裂纹源。同时由于热量不易及时散出，容易形成过热，造成晶粒粗大，使晶间夹层增厚，从而会减弱晶间的结合力。

当monel-400合金在1100℃下保温3 min后，由于没有达到合金的熔点，所以合金材料不会发生的晶粒熔化，只是由母材内的Ti、Si形成的部分低熔点共晶物会发生熔化而使晶界脆化并产生微裂纹。当受到外力或内应力的作用而发生晶界滑移，裂纹沿此扩展，随着奥氏体晶粒的粗大，晶界面积减少，晶界的变形能力下降，导致合金材料的塑性变差，产生低塑现象。在实际应用中，应尽量降低合金中各种有害杂质元素，使钢形成有害相数量减少；为避免焊接接头在焊接热循环过程中产生裂纹源，应避免对焊件约束时产生较大的拉力；同时由于monel-400合金在600～800℃时产生"热脆"现象，所以该合金焊接结构应尽量避免在此温度区间内使用。

2.2拉伸断口宏观形貌

图5为monel-400试样在Gleeble-1500D热模拟实验机上经过不同温度拉伸后的照片。从图中可以看出试样的断口呈现出不同的形貌。在600～700℃时，拉伸断口为脆性断裂，断口表现出很明显的脆性撕裂形貌，塑性较差。而在800～1000℃时，拉伸试样可以看到出现了颈缩现象，表明在此温度区间下拉伸试样表现出了较好的高温塑性，有较大的延伸率和断面收缩率。其中在900℃时试样颈缩最严重，说明在此温度下试样的塑性最好，与上面的分析相符。当温度升高到1100℃时，由于温度接近于材料的熔点，塑性较差。通过图4中的拉伸断口的形貌表现出的合金的塑性与图3做对比，表现出了相同的变化趋势。从图5中还可以看出试样在拉伸时温度的升高主要处于只有中间部分，而试样两端温度相对较低，这样就保证两端没有发生相的变化，只有中间处于高温变形区从而使得试样在变形时会在中间断裂。

2.3拉伸断口扫描照片

为了进一步分析monel-400合金的高温拉伸性能，对拉伸试样断口进行扫描。图6为试样断口的扫描照片，从图6(a)、(b)可以看出试样在600℃和700℃拉伸时为脆性断裂，断口都呈现出河流状的形貌，为准解理断裂，所以此温度下合金的塑性差。图6(c)为800℃时拉伸的断口形貌，从图中可以看到断口形貌中出现了一些韧窝，但仍然存在明显的准解理断裂，因此此温度下的断口也属于脆性断裂，但对比前面两个温度区间，此时合金试样的塑性较好。