薛克敏,盛杰,嚴(yán)思梁,田文春,李萍,

低活化馬氏體/鐵素體鋼具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、抗輻照腫脹能力和力學(xué)性能，是未來(lái)核聚變堆包層第一壁的首選結(jié)構(gòu)材料[1~5]。由于聚變反應(yīng)堆包層工作環(huán)境惡劣，在服役過(guò)程中低活化鋼受到高溫高壓和高能粒子流的多重作用，易產(chǎn)生高溫蠕變，導(dǎo)致包層結(jié)構(gòu)減薄甚至破裂。并且在高能粒子的輻照條件下其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生空洞和位錯(cuò)環(huán)等二次缺陷，引起輻照損傷，限制了低活化馬氏體鋼的使用壽命[6,7]。M23C6與MX相(M= Ta、V，X= C、N)是低活化鋼中主要的強(qiáng)化相，其細(xì)小彌散分布對(duì)提高晶界及馬氏體板條的穩(wěn)定性、阻礙位錯(cuò)在塑性變形及高溫蠕變過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)、改善低活化鋼的綜合性能具有重要作用[8]。M23C6相為Fe、Cr 等元素的碳化物，在回火狀態(tài)下主要沿原始奧氏體晶界、馬氏體板條界、亞晶界等界面處析出，低活化鋼在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的性能下降與M23C6相粗化有直接關(guān)系[9,10]。MX相是低活化鋼中在馬氏體板條內(nèi)部析出的納米級(jí)(尺寸約為30 nm)、球狀且不可分割的C或N的金屬化合物，起到彌散強(qiáng)化、提高低活化鋼強(qiáng)度的作用，同時(shí)可以顯著提高低活化鋼的抗輻照性能。此外，MX相具有良好的高溫穩(wěn)定性，即使在823 K蠕變1559 h也不會(huì)發(fā)生明顯的粗化，能夠降低低活化鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度并改善其高溫蠕變性能[11]。

塑性變形是細(xì)化晶粒組織、改善析出相分布進(jìn)而提高材料綜合性能的有效方法之一。研究[12]表明，在低活化鋼板材軋制過(guò)程中，合理控制軋制變形量，可以提高低活化鋼的亞晶界密度，改善碳化物的分布，進(jìn)而提高其蠕變壽命。但由于每道次變形量有限，因此性能提升空間也受到限制。Aydogan等[13]在400℃下對(duì)EK181 低活化鋼進(jìn)行10圈高壓扭轉(zhuǎn)(high pressure torsion，HPT)變形，變形后的試樣中晶粒等軸化程度提高并且尺寸細(xì)化至135 nm。但高壓扭轉(zhuǎn)變形難以制備大體積板材試樣，將其運(yùn)用到大規(guī)模生產(chǎn)受到限制。與傳統(tǒng)大塑性變形相比，限制性模壓變形克服了高壓扭轉(zhuǎn)工藝難以制備大尺寸板材試樣的缺點(diǎn)，同時(shí)消除了疊軋合技術(shù)對(duì)板材疊合面、軋輥表面以及環(huán)境氣氛的苛刻要求[14]，解決了反復(fù)折皺-壓直法(RCS)難以實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)度方向上的均勻細(xì)化以及單道次變形量有限的問(wèn)題[15]，且對(duì)材料施加的是剪切變形，更容易累積等效應(yīng)變而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，壓彎模的非對(duì)稱(chēng)齒形保證了試樣的均勻變形[16]。因此限制性模壓變形具有制備超細(xì)晶組織的低活化鋼、提高其綜合性能的潛力。

本工作對(duì)中國(guó)低活化馬氏體鋼(CLAM鋼)進(jìn)行多道次限制性模壓變形，研究變形道次對(duì)CLAM鋼中析出相演變行為及其力學(xué)性能的影響規(guī)律，并深入分析變形過(guò)程中CLAM鋼的沉淀相回溶與析出規(guī)律，以期為低活化鋼的大塑性變形改性提供指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用CLAM鋼板的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：Cr 8.93，W 1.51，Mn 0.49，V 0.15，Ta 0.15，C 0.091，Si 0.05，F(xiàn)e余量。模壓實(shí)驗(yàn)前對(duì)鋼板進(jìn)行980℃保溫30 min之后水冷，760℃保溫90 min之后空冷的變形前熱處理(as-tempered)。并使用BMG-HP45CNC電火花線切割機(jī)加工出尺寸為48 mm × 16 mm × 4 mm的長(zhǎng)方體試樣。

將準(zhǔn)備好的坯料加熱到500℃，隨后放入加熱好的模具(150℃)中分別進(jìn)行三道次限制性模壓變形，實(shí)驗(yàn)工藝原理見(jiàn)文獻(xiàn)[17]，壓彎模齒傾角為45°，單道次變形后試樣整體的累積應(yīng)變?yōu)?.16[18]。將變形后的試樣沿軋制方向切割，打磨拋光后采用腐蝕劑(1 g C6H3N3O7+ 5 mL HCL + 100 mL C2H6O)腐蝕20 s后利用XJP-6A光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行組織觀察。利用MH-3顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試位置為板料厚度的中間位置，測(cè)試過(guò)程中加載載荷為200 g，保壓時(shí)間為15 s。使用Sigma 500場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行形貌觀察。利用Tecnai G2F20 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)其納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，加速電壓為200 kV。采用INSTRON萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸和500℃高溫拉伸測(cè)試，拉伸速率控制在1 mm/min。

利用線截距法對(duì)變形前和不同道次模壓變形條件下的TEM圖片進(jìn)行晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)過(guò)程中確保統(tǒng)計(jì)樣本圖片視野內(nèi)晶粒數(shù)量超過(guò)240個(gè)。M23C6相的尺寸分布、密度和體積分?jǐn)?shù)利用Image-Pro Plus軟件對(duì)上述TEM圖片進(jìn)行圈定統(tǒng)計(jì)獲得，其中樣本圖片視野內(nèi)M23C6相數(shù)量超過(guò)400個(gè)，MX相數(shù)量超過(guò)360個(gè)。沉淀相間距(ls)用下式進(jìn)行估算[19]：

${\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">s</span>}}<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">=</span>\sqrt[]{\frac{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">2</span>}\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">\pi </span>}\stackrel{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">¯</span>}{{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">3</span>}}}}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">3</span>}\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}\stackrel{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">¯</span>}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}}}$(1)

式中，$\stackrel{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">¯</span>}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}$和$\stackrel{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">¯</span>}{{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">3</span>}}}$是r和r3的平均值(r是沉淀相半徑)，f是沉淀相體積分?jǐn)?shù)。

2模壓變形后的微觀組織演化

圖1所示為CLAM鋼母材及熱處理后組織的OM像和SEM像。可見(jiàn)，初始組織由粗大、不均勻的板條馬氏體構(gòu)成，如圖1a所示。通過(guò)SEM觀察未發(fā)現(xiàn)沉淀相，如圖1b所示。經(jīng)過(guò)980℃保溫30 min之后水冷、760℃保溫90 min之后空冷的熱處理后馬氏體板條結(jié)構(gòu)明顯得到細(xì)化，呈現(xiàn)回火馬氏體結(jié)構(gòu)，如圖1c所示，整體均勻性有所改善。在馬氏體晶界以及原始奧氏體晶界析出大量沉淀相，晶內(nèi)也有少量析出相，且在板條界析出的沉淀相尺寸明顯大于晶內(nèi)析出的沉淀相，如圖1d所示。

圖1

圖1中國(guó)低活化馬氏體鋼(CLAM鋼)母材及熱處理后顯微組織的OM像和SEM像

Fig.1OM (a, c) and SEM (b, d) images of China low activation martensitic (CLAM) steel before (a, b) and after (c, d) heat treatment

圖2所示為一道次模壓變形CLAM鋼晶界和晶內(nèi)處沉淀相的TEM分析。圖2a為晶界處沉淀相TEM像，通過(guò)對(duì)晶界處沉淀相的線掃描發(fā)現(xiàn)，晶界處的長(zhǎng)棒狀析出相是富Cr沉淀相(圖2b)，HRTEM像和快速Fourier變換得到的晶格圖像表明短棒狀的析出物是Cr23C6。該種類(lèi)型的沉淀相具有fcc結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為1.06 nm，Cr23C6相的(200)晶面間距為0.593 nm，晶帶軸為[$\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">01</span>}\stackrel{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">¯</span>}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">1</span>}}$] (圖2a中插圖)。圖2c插圖的選區(qū)電子衍射(SAED)花樣同樣可以確定，在晶界處析出的大量長(zhǎng)棒狀析出相為Cr23C6相。細(xì)小的M23C6相對(duì)釘扎晶界效果十分顯著[20~24]。晶內(nèi)某些細(xì)小的球形析出相的SAED花樣表明，如圖2d插圖所示，這種類(lèi)型的沉淀相是具有NaCl型結(jié)構(gòu)的MX沉淀相。

圖2

圖2一道次模壓變形CLAM鋼晶界和晶內(nèi)處沉淀相的TEM分析

(a) TEM image ofM23C6phase at the grain boundary and insets show the HRTEM image and fast Fourier transformation (dhkl—interplanar spacing)

(b) line scan ofM23C6phase alone the arrow in Fig.2a

(c) TEM image and corresponding SAED pattern (inset) ofM23C6(showed by arrow) at the grain boundary

(d) TEM image and corresponding SAED pattern (inset) of intergranularMXin the circle

Fig.2TEM analyses of the precipitated phase of CLAM steel subjected to one pass constrained groove pressing at the grain boundary (a-c) and intergranularMX(d)

圖3所示為CLAM鋼變形前及不同道次模壓變形后顯微組織的TEM像。經(jīng)過(guò)一道次模壓變形后(累積應(yīng)變?yōu)?.16)，在馬氏體板條中出現(xiàn)位錯(cuò)纏結(jié)和致密位錯(cuò)壁等位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)被致密位錯(cuò)壁包圍的亞晶粒，晶界處的M23C6相附近聚集一些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，如圖3b所示，且沉淀相的數(shù)量比變形前的試樣有很大提升。二道次模壓變形后(累積應(yīng)變?yōu)?.32)，在晶內(nèi)觀察到大量位錯(cuò)纏結(jié)和致密位錯(cuò)壁等位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，析出相均勻分布，晶界處的碳化物變成短棒狀(圖3c)。相關(guān)研究[25,26]表明，為了保持晶內(nèi)總能量的最小化，這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和向亞晶界累積的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚Ы绾途Ы纭Ｈ来文鹤冃魏?累積應(yīng)變?yōu)?.48)，晶粒顯著細(xì)化，如圖3d所示，沉淀相尺寸進(jìn)一步減小，且大都分布在晶界和位錯(cuò)上。

圖3

圖3不同道次模壓變形前后CLAM鋼顯微組織的TEM像

Fig.3TEM images of CLAM steel before deformation (a) and after constrained groove pressing for pass one (b), pass two (c), and pass three (d) (DTs—dislocation tangles, DDWs—dense dislocation walls)

圖4所示為CLAM鋼變形前及不同道次模壓變形后沉淀相形貌的TEM像。一道次模壓變形后MX相尺寸明顯增大，隨著累積應(yīng)變的增加，MX相的尺寸又逐漸減小且在二道次模壓變形后MX相的密度最大。三道次模壓變形后發(fā)現(xiàn)少量MX相在晶界處析出。M23C6相尺寸隨累積應(yīng)變的增加無(wú)明顯變化。對(duì)變形前和不同道次模壓后試樣的晶粒尺寸和2種沉淀相的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。變形前試樣的晶粒尺寸為1.37 μm，尺寸分布的均勻性較差，測(cè)得的最小尺寸為0.45 μm，體積分?jǐn)?shù)為34.00%，最大尺寸為6.27 μm，其中5 μm以上的晶粒體積分?jǐn)?shù)為6.46%。一道次模壓變形后，晶粒得到細(xì)化，平均尺寸降低到1.21 μm，其中5 μm以上的晶粒體積分?jǐn)?shù)為2.92%，觀測(cè)到的最小尺寸為0.42 μm，體積分?jǐn)?shù)為25.70%。二道次模壓變形后，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，平均尺寸降低到1.03 μm，5 μm以上的晶粒體積分?jǐn)?shù)為2.09%，最小晶粒尺寸為0.47 μm，體積分?jǐn)?shù)為44.50%，較一道次模壓變形明顯提升；三道次模壓變形后，晶粒平均尺寸為0.88 μm，5 μm以上的晶粒體積分?jǐn)?shù)為0.49%，尺寸分布范圍較小，均勻性最佳。

圖4

圖4不同道次模壓變形前后CLAM鋼沉淀相形貌的TEM像

Fig.4TEM images of precipitated phase of CLAM steel before deformation (a) and after constrained groove pressing for pass one (b), passe two (c), and pass three (d)

圖5

圖5不同道次模壓變形前后CLAM鋼的晶粒和析出相尺寸分布

(a) grain size

(b)M23C6precipitate size

(c)MXprecipitate size

Fig.5Size distributions of grains and precipitates in CLAM steel processed before and after deformation (ls—equivalent center to center distance of precipitates,f(d> 5 μm)—volume fraction of grain size greater than 5 μm,d—grain size,fv—volume fraction of precipitated phase,D—density of the precipitated phase,davg—average diameter of precipitated phase)

從圖5b和c可見(jiàn)，變形前，析出球形的MX相平均直徑約為17.12 nm，體積分?jǐn)?shù)為0.48%。晶界處M23C6相的平均尺寸為107.32 nm，體積分?jǐn)?shù)為2.61%。一道次模壓變形后，MX相平均尺寸增加到28.12 nm，體積分?jǐn)?shù)增加為2.08%；M23C6相平均尺寸為103.99 nm，體積分?jǐn)?shù)增加到3.64%。二道次模壓變形后，MX相尺寸降低到14.01 nm，體積分?jǐn)?shù)相比一道次變形降低為1.24%；M23C6相平均尺寸進(jìn)一步減小為97.11 nm，體積分?jǐn)?shù)相比一道次降低到2.47%。隨著模壓道次的增加，累積應(yīng)變逐漸變大，越來(lái)越多的位錯(cuò)和沉淀相相互作用，使沉淀相的表面能急劇增大，變得不穩(wěn)定，從而回溶到基體中[27]。三道次模壓變形后，MX相尺寸為13.59 nm，體積分?jǐn)?shù)為0.54%，沉淀相密度顯著降低，MX和M23C6相密度分別從1.47 × 1021和8.37 × 1019m-3(二道次變形后)減小到6.11 × 1020和6.36 × 1019m-3。M23C6相尺寸減小為93.97 nm，體積分?jǐn)?shù)為1.60%，隨著累積應(yīng)變的增加，M23C6相體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，MX相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)先增大后減小的變化情況，且三道次模壓變形后，MX相尺寸相比變形前的出現(xiàn)明顯降低，體積分?jǐn)?shù)卻基本不變。多道次模壓變形過(guò)程中，沉淀相密度都出現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，三道次模壓變形后，沉淀相密度均大于變形前。

3分析討論

3.1變形道次對(duì)析出相演化行為的影響

一道次模壓變形后，2種沉淀相的體積分?jǐn)?shù)都出現(xiàn)了明顯的提升，基體內(nèi)部出現(xiàn)大量位錯(cuò)和部分亞晶，位錯(cuò)和晶界給沉淀相提供大量的析出位置，基體內(nèi)的沉淀相形成元素在這些位置上析出，導(dǎo)致沉淀相體積分?jǐn)?shù)顯著提高。加工過(guò)程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致位錯(cuò)與沉淀相相互作用能增加，總能量變大，而材料的總自由能總是朝著降低的方向發(fā)展，即材料的表面能朝著降低的方向發(fā)展，沉淀相的表面積將減小。變形前基體內(nèi)共格析出的MX相變得不穩(wěn)定，進(jìn)而溶解到新析出的沉淀相和基體中，造成沉淀相的粗化和長(zhǎng)大，從而減小沉淀相的總表面積，從圖3和4可以看出，一道次模壓變形后MX相平均尺寸增加，從而降低自由能。

模壓變形細(xì)化M23C6相，三道次模壓變形顯著降低M23C6相的體積分?jǐn)?shù)。在模壓變形過(guò)程中，基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在M23C6相周?chē)茏瑁o其以強(qiáng)大應(yīng)力，引起金屬化合物晶體內(nèi)部位錯(cuò)密度增大，甚至橫穿其內(nèi)部[28]，使其發(fā)生變形，最終在缺陷處斷裂[27,29,30]，導(dǎo)致一道次模壓變形后，M23C6相的體積分?jǐn)?shù)和密度顯著增加。隨著模壓道次的增加，累積應(yīng)變變大，M23C6相的體積分?jǐn)?shù)不斷降低，三道次模壓變形后，體積分?jǐn)?shù)相比變形前的試樣降低了1.01%，且平均尺寸大幅減小。模壓變形能促進(jìn)沉淀相回溶，M23C6相尺寸的減小是因?yàn)槭艿街車(chē)诲e(cuò)結(jié)構(gòu)的相互作用而變得不穩(wěn)定，在位錯(cuò)堆積應(yīng)力的作用下形成碳化物碎片[29]，模壓變形積累的應(yīng)變能在釋放過(guò)程中為沉淀相的溶解提供了很大的驅(qū)動(dòng)力[31]，進(jìn)而部分溶質(zhì)元素通過(guò)變形產(chǎn)生的高能缺陷向基體內(nèi)擴(kuò)散，重新回溶到基體內(nèi)部。當(dāng)累積的應(yīng)變較大時(shí)，M23C6相數(shù)量急劇降低，模壓三道次變形后，M23C6相體積分?jǐn)?shù)降低到1.60%。

模壓變形顯著細(xì)化MX沉淀相，促進(jìn)MX相彌散分布。模壓變形產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和亞晶界，隨著累積應(yīng)變的增大，基體中產(chǎn)生的大量形變儲(chǔ)存能為MX相的回溶提供了很大的驅(qū)動(dòng)力，且更高的位錯(cuò)密度和亞晶界為MX相的溶解提供了更多的原子擴(kuò)散通道[31]。隨著沉淀相的不斷回溶，基體的過(guò)飽和度增大，當(dāng)增大到一定值后，在模壓變形下要發(fā)生脫溶，形成尺寸更小、更加穩(wěn)定的顆粒[32]。

3.2強(qiáng)化作用及機(jī)理

圖6所示為不同道次模壓變形前后CLAM鋼的抗拉強(qiáng)度、延伸率曲線及三道次模壓變形后拉伸試樣斷口形貌的SEM像。熱處理后的CLAM鋼試樣經(jīng)過(guò)模壓一道次變形后，抗拉強(qiáng)度從586 MPa提高到693 MPa。變形前CLAM鋼的延伸率為18.59%，一道次模壓變形后降低為11.56%。變形產(chǎn)生的亞晶粒、位錯(cuò)以及大量沉淀相釘扎晶界和位錯(cuò)，阻礙了位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)，使得材料的塑性顯著降低。二道次模壓變形后，抗拉強(qiáng)度提升到720 MPa，較變形前提高了22.87%；延伸率為12.13%，較變形前降低了34.75%。三道次模壓變形后，坯料的抗拉強(qiáng)度下降到689 MPa，延伸率為12.89%，M23C6相和MX相的體積分?jǐn)?shù)降低為1.60%和0.54%，這是由于沉淀相的大量回溶引起沉淀相周?chē)逊e的位錯(cuò)密度大幅度減小，導(dǎo)致試樣軟化，延伸率出現(xiàn)小幅提升。考慮到坯料經(jīng)過(guò)反復(fù)壓彎和壓平變形，Bauschinger效應(yīng)也可能是導(dǎo)致三道次變形后強(qiáng)度下降的原因之一。模壓變形導(dǎo)致的晶粒細(xì)化、沉淀相回溶軟化使變形分布更加均勻，應(yīng)力集中減輕，從而推遲微裂紋的萌生和擴(kuò)展，增大其斷裂應(yīng)變，提高了材料的塑性[33]。經(jīng)三道次模壓變形后低活化鋼500℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為439.05 MPa，延伸率為15.91%，均比Mao等[34]報(bào)道的低活化鋼在500℃條件下的高溫力學(xué)性能優(yōu)異。三道次模壓變形后，材料基體中存在大量細(xì)小的沉淀相阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了低活化鋼的強(qiáng)度。斷口的斷裂方式為韌性斷裂，圖6b中大量細(xì)小的韌窩是由于三道次變形后晶粒得到細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致拉伸過(guò)程中空洞的尺寸也較小，圖中個(gè)別較大的韌窩是由于尺寸較大的馬氏體斷裂產(chǎn)生的。

圖6

圖6不同道次模壓變形前后CLAM鋼的抗拉強(qiáng)度、延伸率曲線和三道次模壓變形后拉伸斷口形貌的SEM像

Fig.6Tensile strength and elongation curves of CLAM steel with different groove pressing passes (a) and SEM image showing the fracture merphology of tensile specimen after three-passes groove pressing (b)

低活化鋼的強(qiáng)度可能受到3個(gè)因素的影響：MX相的析出強(qiáng)化、M23C6相的存在以及晶粒細(xì)化引起的位錯(cuò)堆積(Hall-Petch關(guān)系)。低活化鋼的屈服強(qiáng)度(σy)可由下式估算：

${\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">y</span>}}<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">p</span>}}<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}^{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">-</span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">1</span>}<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">/</span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">2</span>}}$(2)

式中，σ0是晶格摩擦強(qiáng)度(粗晶粒材料的屈服強(qiáng)度)，σp是沉淀相析出強(qiáng)化貢獻(xiàn)的強(qiáng)度，k是Hall-Petch常數(shù)(晶界對(duì)位錯(cuò)傳播的阻力)，d是晶粒尺寸。圖7顯示低活化鋼硬度與d-1/2呈線性關(guān)系，表明硬化由晶粒內(nèi)的位錯(cuò)堆積至亞微米尺度所致[35]。

圖7

圖7CLAM鋼的硬度與平均晶粒尺寸滿(mǎn)足Hall-Petch關(guān)系

Fig.7Hardness and average grain size of CLAM steel satisfy the Hall-Petch model

圖8顯示位錯(cuò)在移動(dòng)過(guò)程中受到MX相的阻礙作用，位錯(cuò)發(fā)生彎曲，表現(xiàn)出繞過(guò)MX相的趨勢(shì)，由于位錯(cuò)的堆積應(yīng)力，MX相邊界非常模糊。由于MX相的硬度很高，不易因與位錯(cuò)相互作用而破碎，自由位錯(cuò)在遇到MX相后容易以繞過(guò)機(jī)制與MX相發(fā)生作用，從而留下位錯(cuò)環(huán)，增大位錯(cuò)密度，導(dǎo)致Orowan增強(qiáng)[27,36,37]。M23C6相通過(guò)釘扎晶界，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)提高材料加工硬化的能力，MX相主要通過(guò)釘扎自由位錯(cuò)，通過(guò)位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制來(lái)增加位錯(cuò)的數(shù)量，激活位錯(cuò)適應(yīng)材料的塑性變形，從而細(xì)化晶粒[38,39]。基于經(jīng)典的Orowan析出相強(qiáng)化機(jī)制，沉淀相對(duì)屈服強(qiáng)度的影響如下[30]：

圖8

圖8MX相釘扎位錯(cuò)的TEM像

Fig.8TEM image showing the pinning dislocation ofMXphase

${\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">p</span>}}<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">0.7</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}\sqrt[]{{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">v</span>}}}}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}$(3)

式中，M是Taylor系數(shù)，G是剪切模量，b是Burgers矢量模，fv是析出相體積分?jǐn)?shù)。在bcc 結(jié)構(gòu)Fe中b= 0.274 nm，G= 59.7 GPa，M= 2.733[11]。

硬度可以用屈服強(qiáng)度估算[40]：

$\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">3</span>}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; "Microsoft\; YaHei";\; font-size:\; 14px;">y</span>}}$(4)

式中，H為Vikers硬度。對(duì)M23C6和MX相進(jìn)行了類(lèi)似的強(qiáng)化估計(jì)，結(jié)果如表1所示。M23C6相的析出強(qiáng)化幅度較小，在42.1~57.4 MPa之間。MX相的析出強(qiáng)化效果極為顯著，二道次模壓變形后MX相的密度最大且尺寸較小，析出強(qiáng)化達(dá)到了249 MPa，M23C6相析出強(qiáng)化為50.6 MPa，可見(jiàn)低活化鋼強(qiáng)度的增加主要由高密度的納米沉淀相析出強(qiáng)化導(dǎo)致。

表1沉淀相析出強(qiáng)化結(jié)果

Table 1Results of precipitation strengthening

Note:σp—strength induced by precipitation strengthing,H—Vikers hardness

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圖7中y軸的截距約為1.18 GPa，即3(σ0+ σp)值為1.18 GPa，直線的斜率為1.27 GPa·μm1/2，相關(guān)系數(shù)R2為0.942。直線斜率乘以1/3得到k值為423 MPa·μm1/2，計(jì)算結(jié)果與其他鐵合金的斜率相當(dāng)[41~43]。Foley等[35]在T91鋼中也發(fā)現(xiàn)了硬度與晶粒尺寸遵循Hall-Petch關(guān)系。Liu等[44]將納米晶材料的顯微硬度變化與其微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，并總結(jié)了鐵合金的晶粒尺寸與顯微硬度的Hall-Petch關(guān)系。從截距值(1.18 GPa)中減去沉淀相平均析出強(qiáng)化貢獻(xiàn)的Vikers硬度(約0.68 GPa)得到硬度為0.50 GPa，其中1/3為粗晶合金(無(wú)析出強(qiáng)化)的屈服強(qiáng)度(約168 MPa)。

綜上，模壓大塑性變形是有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)軋制的，可獲得細(xì)晶粒、納米尺度的沉淀相和高強(qiáng)度大尺寸板材CLAM鋼的一種新方法。并且模壓變形可以促使CLAM鋼中的沉淀相回溶和析出，多道次的變形能起到分配沉淀相的作用，促使沉淀相彌散分布，累積應(yīng)變達(dá)到3.48時(shí)，得到了平均晶粒尺寸為0.88 μm的細(xì)晶材料。

4結(jié)論

(1) 在500℃條件下對(duì)CLAM鋼進(jìn)行三道次模壓變形(累積應(yīng)變?yōu)?.48)后，MX相密度和體積分?jǐn)?shù)分別從二道次模壓變形(累積應(yīng)變?yōu)?.32)的1.47 × 1021m-3和1.24%減小到6.11 × 1020m-3和0.54%；M23C6相密度和體積分?jǐn)?shù)分別從二道次模壓變形的8.37 × 1019m-3和2.47%減小到6.36 × 1019m-3和1.6%，沉淀相出現(xiàn)大量回溶。

(2) 三道次模壓變形顯著細(xì)化了晶粒和沉淀相，得到平均晶粒尺寸為0.88 μm的超細(xì)晶組織，M23C6相和MX相的平均尺寸分別從變形前的107.32和17.12 nm減小到93.97和13.59 nm。

(3) CLAM鋼硬度和抗拉強(qiáng)度的增加主要由晶粒細(xì)化和沉淀相的析出強(qiáng)化決定。位錯(cuò)在MX相周?chē)憩F(xiàn)出繞過(guò)的傾向，導(dǎo)致Orowan增強(qiáng)。二道次模壓變形后，由MX相和M23C6相造成的析出強(qiáng)化分別為249和50.6 MPa，低活化鋼的硬度增加了12.3%。

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