不同时效状态3J21合金拉伸性能

2023-07-18 16:00 作者:上海叶钢金属集团 0人读过 | 我要投稿

摘要：在万能拉伸试验机上对大气环境下欠时效态、峰时效态和过时效态3J21合金的拉伸性能进行研究，并采用金相显微镜、X射线衍射仪对各时效态金相组织及物相进行分析，采用TEM对固溶态、时效态试样及拉伸断口附近形变的显微组织进行分析，采用扫描电镜对拉伸断口进行观察。结果表明，峰时效态3J2l合金的拉伸强度和屈服强度均略高于欠时效态和过时效态合金，但其伸长率略低于欠时效态和过时效态合金；各时效态合金的拉伸断口均为韧窝断口，欠时效态合金断口附近显微组织中滑移线之间的距离最小，峰时效态合金滑移线之间的距离最大，而过时效态合金滑移线之间的距离介于两者之间。

关键词：3J2l合金，时效，拉伸性能

3J21合金被认为是综合性能最好的钴基高弹性合金之一。已有研究结果表明对该合金进行形变热处理后，可获得高的弹性性能、强度、硬度、耐磨性、耐疲劳性和无磁性等，同时在许多介质中具有很高的耐腐蚀能力，具有一定的热稳定性和较低的缺口敏感性。因此3J21合金在国防和民用工业领域都有广泛的应用。适宜制作小截面的弹性元件以及航空航天器上的精密器件，航天器的空间工作环境具有特殊性和复杂性，如：(1)真空环境(真空度约为10~-12～100Pa)；(2)高低温交变的环境(约一200~199℃)；(3)紫外线和高能粒子的辐射；(4)近地轨道原子氧的侵蚀。在这样的环境下工作会使合金的性能受到影响，为保持其性能的稳定性，在制造前需进行时效处理。本文主要以大气条件下欠时效态、峰时效态和过时效态3J2l合金为典型材料，研究不同时效状态对合金拉仲性能及断裂行为的影响，为设计选材提供理论依据。

1实验

3J21合金的化学成分见表1。

3J2l合金在真空炉中进行固溶处理，工艺为(1180±5)℃保温1．5h水淬后，经30％冷轧变形制成1．1mm薄板，在450℃的恒温箱中进行时效处理，时效过程中每间隔一定时间取样进行维氏硬度测试，硬度实验在HVS一5型维氏硬度试验机上进行，载荷为1kg，加载时间为10s，物镜放大倍数为40倍。所得时效硬化曲线如图1所示。该曲线的变化规律与时效过程中发生冷变形应力的消失和回复以及第二相粒子从固溶体中析出这两个过程有关。但在本阶段尚未深入探讨它们的微观结果，不能准确解释该曲线的变化规律，有待迸一步研究。

根据图1选定的欠时效时间为4h，峰时效时间为8h，过时效时间为14h，时效后将薄板沿轧制方向剪成板状试样。拉伸实验在3—7l万能拉伸机上进行，夹头的移动速度为2．4mm／min，采用计算机与记录仪同时记录试样的应力一应变曲线。实验后对3J21合金冷轧态组织进行金相分析，采用x射线衍射仪和TEM对各时效状态合金的组织与微观结构以及拉伸断口附近的微观组织进行观察和分析、采用SEM扫描电镜观察拉伸断口形貌。

2结果与分析

2．1微观组织

2．1．1金相组织分析

图2为不同状态3J2l合金的金相组织。可以观察到3J21合金经固溶处理冷轧后的组织为单一的、晶粒大小较为均匀的、面心立方结构的γ(Co)固溶体。不同时效态的金相组织晶粒大小接近，平均粒径约为3μm。

2．1．2 XRD分析

图3为冷轧状态和欠时效态3J21合金的x射线衍射图。结果表明，3J21合金经固溶处理冷轧后的组织为面心立方结构的γ(Co)固溶体。欠时效态3J2l合金结构未发生改变，仍然是面心立方结构，而且在450℃没有发现第二相。

3J21合金的回火强化主要是弥散的第二相金属问化合物Fe3Mo和碳化物析出所致。但多数研究证实，只有当回火温度大于600℃时才可发现第二相。小角度x射线衍射结果证明，当回火温度为600—650℃时，只可看到1—10nm的不均匀区，当回火温度为700℃时才出现碳化物相。

2．1．3TEM分析

图4为冷轧状态和欠时效态3J21合金的TEM照片。观察显示3J21合金经固溶处理冷轧后位错密度增高，形成胞状亚结构，有大量的滑移痕迹。欠时效态3J21合金位错密度明显降低，但仍可看到大量的滑移痕迹，没有发现析出相。采用TEM观察两种状态的组织和结构，与X射线衍射结果一致。

2．2拉伸性能

不同时效态3J2l合金的拉伸性能测试结果见表2。

3J21合金不同时效状态下的应力一应变曲线如图5所示。从表2和图5可见，峰时效态3J21合金的拉伸强度和屈服强度最大，伸长率最低。欠时效态与过时效态的拉伸强度和屈服强度相差不大，但欠时效态合金的伸长率比过时效态的高一些。这说明工程上多使用欠时效态3J21合金不但能够保证该合金的强度指标，同时也能保证合金具有良好的塑性。

不同时效状态对3J21合金拉伸性能的影响不大。这可能是在时效时，冷变形应力消失与回复使得拉伸强度降低，而第二相粒子弥散析出又使拉伸强度提高两方面共同作用的结果。不同时效状态微观组织对拉伸性能的影响还有待进一步研究。

2．3拉伸断口分析

2．3．1宏观分析

图6为不同时效态3J2l合金拉伸断口SEM照片。可观察到各时效态断口都是正断，由中间粗糙不平的纤维区和剪切唇组成，纤维区又由无数纤维状“小峰”组成。在靠近断口区域，都有颈缩发生。

欠时效态拉伸断口的纤维区最大，峰时效态次之，过时效态纤维区最小，三种断口均未呈现光亮的金属亮色，都是延性断裂。

可观察到，三种断口均呈现大量的韧窝，欠时效态的断口中还呈现明显的撕裂棱，且韧窝较大，部分韧窝的底部有孔洞。峰时效态的断口韧窝较小、较浅，过时效态的断El韧窝大小介于欠时效态和峰时效态韧窝尺寸之间，这些特征与欠时效态和过时效态合金伸长率高，拉伸强度低，而峰时效态合金延伸率低，拉伸强度高相吻合。

2．3．3拉伸断口附近的组织分析

图8为不同时效态3J21合金拉伸断口附近组织的TEM照片。可以看到各时效状态下断口附近显微组织都有变化。欠时效态合金的滑移线最细，滑移线之间的距离最小，而峰时效态和过时效态合金滑移线之间的距离较大，这与欠时效态合金的塑性好于峰时效态和过时效态合金的塑性相吻合。三种时效态均未有析出相，所以它们的强度相近。