楊旭1,2,廖波1,劉堅(jiān)2,嚴(yán)偉2,單以銀2,肖福仁1,楊柯2,

1 燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 秦皇島066004
2 中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽110016

摘要

關(guān)鍵詞：CLAM鋼;液態(tài)金屬脆化;Pb-Bi共晶;溫度;應(yīng)變速率

低活化鐵素體/馬氏體(reduced activation ferritic/martensitic, RAFM)鋼因具有良好的導(dǎo)熱性和較低的膨脹率而被作為聚變反應(yīng)堆包殼材料的候選材料。目前很多國家和地區(qū)都在研發(fā)自己的低活化鋼[1~4],如日本的F82H和JLF-1,歐洲的OPTIFER、MANNET和EUROFER97,及美國的ORNL-9Cr2WVTa,積累了大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。中國低活化馬氏體(China low activation martensitic, CLAM)鋼,也被作為聚變堆包殼候選結(jié)構(gòu)材料之一。

在研究鐵素體/馬氏體(F/M)鋼與液態(tài)金屬的兼容性時(shí)發(fā)現(xiàn),CLAM鋼和EUROFER97均會(huì)受到Pb-Li合金的腐蝕[5,6]。除腐蝕問題外,原來塑性很好的金屬材料在液態(tài)金屬中會(huì)發(fā)生脆化現(xiàn)象,延伸率顯著下降,斷裂形式表現(xiàn)出脆性斷裂行為。液態(tài)金屬致脆(liquid metal embrittlement, LME)的機(jī)制復(fù)雜,雖然已有很多相關(guān)研究,但對(duì)其機(jī)理目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[7]。現(xiàn)有研究[8,9]表明,脆化現(xiàn)象是材料的組織狀態(tài)、服役應(yīng)力條件、接觸狀態(tài)、溫度和應(yīng)變速率等多種因素共同作用的結(jié)果。通常認(rèn)為,液態(tài)金屬脆化現(xiàn)象只是在一定的溫度區(qū)間內(nèi)才會(huì)出現(xiàn),在低于或高于該溫度區(qū)間時(shí),脆化現(xiàn)象就會(huì)消失,且韌性會(huì)回復(fù)到與未接觸液態(tài)金屬時(shí)相當(dāng)?shù)乃?span style="margin: 0px; padding: 0px; box-sizing: border-box; font-size: 10.5px; line-height: 0; position: relative; vertical-align: baseline; top: -0.5em;">[8,9]。此外,應(yīng)變速率對(duì)液態(tài)金屬脆化現(xiàn)象也有非常大的影響[10~12]。

雖然CLAM鋼在液態(tài)Pb-Li合金中拉伸時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)脆化現(xiàn)象[12],但是EUROFER 97鋼預(yù)接觸液態(tài)Pb-Li合金1000 h后發(fā)現(xiàn)其延伸率發(fā)生了一定程度的下降[13]。由于在Pb-Li合金(Pb-17Li)中Li含量僅約為1% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)),其成分與液態(tài)純Pb非常接近,因此F/M鋼在液態(tài)純Pb中的腐蝕行為也得到了廣泛關(guān)注。研究[14,15]表明,很多F/M鋼在液態(tài)純Pb中均會(huì)發(fā)生致脆現(xiàn)象。對(duì)T91鋼的液態(tài)金屬脆化現(xiàn)象研究[11,13,15]發(fā)現(xiàn),T91鋼經(jīng)過低溫回火后其強(qiáng)度有所提高,在純Pb和Pb-Bi共晶(lead-bismuth eutectic, LBE)中也會(huì)出現(xiàn)明顯的脆斷現(xiàn)象,且強(qiáng)度提高可顯著提高材料對(duì)液態(tài)金屬致脆的敏感性。此外,T91鋼在輻照和Pb-Bi共晶共同作用下也會(huì)出現(xiàn)液態(tài)金屬致脆現(xiàn)象[16~19]。但是對(duì)CLAM鋼在Pb-Bi共晶中是否發(fā)生脆化現(xiàn)象目前還未見報(bào)道。

本工作針對(duì)CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi共晶中可能出現(xiàn)的脆化現(xiàn)象,研究了CLAM鋼在與液態(tài)Pb-Bi接觸環(huán)境下的拉伸斷裂行為。由于CLAM鋼在未來的服役環(huán)境為中子輻照,材料會(huì)發(fā)生輻照硬化和腫脹,而強(qiáng)度的變化會(huì)顯著影響鋼在液態(tài)金屬中的脆化行為[8,9],但由于輻照材料非常稀缺,因此參照Long等[11]的做法,采用低溫回火模擬輻照硬化效果,以研究硬化的CLAM鋼在液態(tài)金屬中的致脆敏感性。此外,利用不同拉伸速率實(shí)驗(yàn),研究了應(yīng)變速率對(duì)CLAM鋼在Pb-Bi共晶中脆化行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料選用真空冶煉的CLAM鋼,主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為：C 0.091,Cr 8.93,W 1.51,Mn 0.49,V 0.15,Ta 0.15,Fe余量。熱處理工藝為980 ℃正火處理30 min后空冷,500 ℃回火處理90 min后空冷,冷速為20 ℃/s。鋼的顯微組織為全馬氏體,原始奧氏體晶粒尺寸約為12 μm。20 mm厚的CLAM軋板經(jīng)過熱處理后,加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱拉伸試樣,試樣平行段長度為25 mm,直徑為4 mm,總長度為60 mm。

實(shí)驗(yàn)所用Pb-Bi共晶合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Pb 44.5%,Bi 55.5%,雜質(zhì)Mg、Al、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Sb和Cd 均小于1×10-6,Sn<3×10-6,Fe、Ag<5×10-6,Si<10×10-6。為了保證試樣在液態(tài)金屬中進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),需對(duì)拉伸夾具進(jìn)行適當(dāng)改造,如圖1所示。在普通拉伸夾具內(nèi)的螺紋端焊接一根金屬管,直徑與夾具相同,長度保證可以儲(chǔ)存足夠多的液態(tài)Pb-Bi共晶,使得拉伸試樣斷裂時(shí)兩端的平行段仍然完全浸沒在液態(tài)Pb-Bi共晶中。另一端的拉伸夾具加長,保證能夠在金屬管腔體內(nèi)拉伸。實(shí)驗(yàn)前用線切割加工半圓柱型的Pb-Bi塊體,使之能夠放入金屬管腔體內(nèi)。用砂紙研磨除去Pb-Bi塊體的表面氧化膜,研磨后密封以防止再次氧化。拉伸前將Pb-Bi塊體熔化,倒入拉伸夾具的金屬腔體內(nèi),為拉伸實(shí)驗(yàn)提供液態(tài)金屬環(huán)境。對(duì)比試樣在相同拉伸速率和相同實(shí)驗(yàn)溫度下使用同一臺(tái)拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸,實(shí)驗(yàn)全程通入Ar氣作為保護(hù)氣氛。

圖1靜態(tài)液態(tài)金屬拉伸實(shí)驗(yàn)夾具示意圖

Fig.1Schematic of tensile set-up in static lead-bismuth eutectic (LBE)

拉伸設(shè)備為MTS E45.105型拉伸試驗(yàn)機(jī),最大載荷為50 kN,實(shí)驗(yàn)溫度為200~500 ℃。選用恒定夾頭拉伸速率0.15和0.015 mm/min進(jìn)行拉伸,分別對(duì)應(yīng)起始應(yīng)變速率為1×10-4和1×10-5s-1。拉伸前通入Ar氣排除腔體內(nèi)的空氣,拉伸過程中持續(xù)通入Ar氣防止液態(tài)Pb-Bi共晶和試樣過度氧化。

拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取出斷裂的拉伸試樣。為了在不影響斷口形貌的前提下除去表面殘余Pb-Bi,在過氧化氫(H2O2)、冰乙酸(CH3COOH)和乙醇(C2H5OH)的混合溶液中浸泡清洗試樣,3種試劑體積比為1∶1∶1。試樣重量不再變化后,取出并在酒精中超聲清洗。斷裂試樣在S3400N型掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行斷口形貌觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸性能

圖2和3分別為250~500 ℃和200~500 ℃時(shí)CLAM鋼在Ar氣和液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中拉伸速率分別為0.15 mm/min 和0.015 mm/min條件下的拉伸曲線。可以看出,在不同的拉伸環(huán)境條件下的彈性和塑性加工硬化階段,Ar氣和液態(tài)Pb-Bi中曲線均表現(xiàn)出良好的重合度,說明環(huán)境對(duì)彈塑性拉伸行為影響不大。但在一定的溫度范圍內(nèi),當(dāng)拉伸曲線超過斷裂應(yīng)力后,在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中的試樣,其所受應(yīng)力隨變形的增加快速降低并發(fā)生斷裂,拉伸的總延伸率降低,表現(xiàn)出塑性脆化現(xiàn)象。在2種拉伸速率條件下,其塑性脆化傾向略有不同。在拉伸速率為0.15 mm/min時(shí),當(dāng)溫度為250 ℃時(shí),2種環(huán)境下的拉伸曲線幾乎重合(圖2a);當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí),鋼在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中斷裂時(shí)的變形量開始減少(圖2b);溫度升高到400 ℃時(shí),斷裂變形量更小(圖2c);而當(dāng)溫度高于400 ℃時(shí),隨溫度的升高,斷裂時(shí)的變形量開始增加;當(dāng)溫度到達(dá)500 ℃時(shí),2種環(huán)境下曲線特征又表現(xiàn)出相似性(圖2d),表明環(huán)境對(duì)拉伸變形塑性影響不大。在拉伸速率為0.015 mm/min時(shí),對(duì)比2種環(huán)境中拉伸曲線,其變化規(guī)律相似,但與Ar氣環(huán)境相比,CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中斷裂時(shí)的變形量開始減少的溫度范圍明顯擴(kuò)大(圖3)。僅在200 ℃(圖3a)和500 ℃(圖3d)時(shí),2種環(huán)境下拉伸曲線表現(xiàn)出相似性;而在250~450 ℃范圍內(nèi),均表現(xiàn)出斷裂時(shí)的總應(yīng)變量減小的現(xiàn)象,且在300~350 ℃范圍內(nèi),斷裂時(shí)的總變形量最小。

圖2中國低活化馬氏體(CLAM)鋼在250~500 ℃、Ar氣和Pb-Bi共晶中拉伸速率為0.15 mm/min時(shí)的拉伸曲線

Fig.2Tensile curves of China low activation martensitic (CLAM) steel in Ar and LBE under tensile strain rate of 0.15 mm/min at 250 ℃ (a), 300 ℃ (b), 400 ℃ (c) and 500 ℃ (d)

圖3CLAM鋼在200~500 ℃、Ar氣和Pb-Bi共晶中拉伸速率為0.015 mm/min時(shí)的拉伸曲線

Fig.3Tensile curves of CLAM steel in Ar and LBE under tensile strain rate of 0.015 mm/min at 200 ℃ (a), 250 ℃ (b), 450 ℃ (c) and 500 ℃ (d)

對(duì)比2種拉伸速率及環(huán)境中的拉伸曲線可見,在Ar氣環(huán)境中拉伸速率對(duì)拉線曲線影響不大,即對(duì)強(qiáng)度和塑性影響不大;而在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中,拉伸速率對(duì)強(qiáng)度影響不大,但顯著影響斷裂時(shí)的最大應(yīng)變量,使塑性降低。

圖4和5給出了CLAM鋼在2種拉伸速率及Ar氣和液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和總延伸率隨溫度的變化規(guī)律。由圖4可見,在不同的拉伸速率下,Ar氣及液態(tài)Pb-Bi環(huán)境對(duì)CLAM鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響不大;但拉伸速率對(duì)強(qiáng)度的影響則隨拉伸變形溫度有所不同。在拉伸速率為0.15 mm/min時(shí),當(dāng)拉伸變形溫度低于400 ℃時(shí),強(qiáng)度隨溫度的升高變化不大;當(dāng)拉伸變形溫度高于400 ℃時(shí),隨溫度的升高,強(qiáng)度開始呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在拉伸速率為0.015 mm/min時(shí),強(qiáng)度隨溫度的升高開始降低的溫度則下降到350 ℃,且隨溫度的升高,與高的拉伸速率相比,強(qiáng)度降低的幅度也有所增加。

圖4不同拉伸速率下CLAM鋼在Ar氣和液態(tài)Pb-Bi共晶環(huán)境中的強(qiáng)度變化

Fig.4Variations of strength of CLAM steel in Ar and LBE under different tensile rates of 0.15 mm/min (a) and 0.015 mm/min (b) (σs—yield strength,σb—ultimate tensile strength)

然而,變形溫度、變形速率及環(huán)境對(duì)CLAM鋼的總延伸率有顯著的影響。從圖5可以看出,在應(yīng)變速率為0.15 mm/min和Ar氣環(huán)境中,當(dāng)溫度低于350 ℃時(shí),CLAM鋼的總延伸率隨溫度變化不大;但當(dāng)溫度高于350 ℃時(shí),隨溫度的升高,總延伸率略有增加。而在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中,當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí),隨變形溫度的升高,總延伸率明顯降低;并在400 ℃時(shí),降低至最低值;之后隨溫度的升高,延伸率開始回升,并在500 ℃時(shí),回升至與Ar氣環(huán)境相同的水平(圖5a)。這種在液態(tài)金屬中在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)延伸率降低的現(xiàn)象通常稱之為“韌谷”現(xiàn)象[20]。

圖5不同拉伸速率下CLAM鋼在Ar氣和液態(tài)Pb-Bi共晶環(huán)境中的總延伸率變化

Fig.5Variations of total elongation of CLAM steel in Ar and LBE under different tensile rates of 0.15 mm/min (a) and 0.015 mm/min (b) (δ— total elongation)

在拉伸速率為0.015 mm/min時(shí),CLAM鋼在Ar氣及液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中的拉伸斷裂總延伸率隨溫度的變化規(guī)律與拉伸速率為0.15 mm/min時(shí)相比可見,在Ar氣環(huán)境中,延伸率開始增加的溫度略有降低,下降到300 ℃;而在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中,在250~450 ℃范圍內(nèi)延伸率表現(xiàn)出明顯降低,且降低幅度最大的溫度出現(xiàn)在300~350 ℃之間(圖5b)。降低拉伸變形速率,CLAM鋼出現(xiàn)的“韌谷”溫度范圍擴(kuò)大且幅度增加。但CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi中的力學(xué)性能仍優(yōu)于T91鋼。T91在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中慢速拉伸時(shí),“韌谷”現(xiàn)象的溫度范圍更加寬泛,介于150~450 ℃之間[11]。

2.2 斷口形貌

圖6為在250~500 ℃、Ar氣環(huán)境中拉伸速率為0.15 mm/min時(shí)的宏觀和微觀斷口形貌的SEM像。可以觀察到斷口發(fā)生明顯的頸縮,且均為韌性斷裂,斷口中心為韌窩,直徑及深度不一。而且隨著溫度升高,韌窩尺寸和深度略有增加,但是總體變化不大,試樣有明顯的頸縮,斷口呈錐狀斷裂,因此CLAM鋼在Ar氣環(huán)境中的所有拉伸試樣均發(fā)生微孔聚集型韌性斷裂。圖7為CLAM鋼在250~500 ℃液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中不同溫度下的宏觀和微觀斷口形貌。可以觀察到,在250 ℃液態(tài)Pb-Bi中的拉伸斷口仍為韌性斷裂,斷口形貌與在Ar氣中的試樣斷口形貌沒有明顯差異。而在300和400 ℃拉伸時(shí),在Pb-Bi環(huán)境中的斷口則明顯不同,斷口直徑與拉伸前基本相同,試樣發(fā)生少量的頸縮,呈現(xiàn)出典型的脆性解理斷裂特征。從微觀形貌可以觀察到,試樣斷口呈現(xiàn)河流狀花樣,斷口邊緣有明顯的裂紋萌生點(diǎn),裂紋從起裂點(diǎn)以河流狀方式向試樣芯部擴(kuò)展,其斷裂方式為穿晶斷裂。整個(gè)斷口有明顯的二次裂紋,材料提前發(fā)生斷裂,進(jìn)而導(dǎo)致塑性降低。當(dāng)拉伸實(shí)驗(yàn)溫度升高到500 ℃時(shí),在液態(tài)Pb-Bi中的拉伸斷口仍以韌性斷裂方式為主,微觀斷口形貌與在Ar氣環(huán)境中拉伸時(shí)相差不大,此時(shí)CLAM鋼的韌性發(fā)生回復(fù)。

圖 6CLAM鋼在250~500 ℃、Ar氣中拉伸速率為0.15 mm/min時(shí)拉伸斷口的宏觀和微觀斷口形貌的SEM像

Fig.6Macro (a, c, e, g) and micro (b, d, f, h) tensile fracture SEM images of CLAM steel in Ar under strain rate of 0.15 mm/min at 250 ℃ (a, b), 300 ℃ (c, d), 400 ℃ (e, f) and 500 ℃ (g, h)

圖7CLAM鋼在250~500 ℃液態(tài)Pb-Bi中拉伸速率為0.15 mm/min時(shí)拉伸斷口的宏觀和微觀斷口形貌的SEM像

Fig.7Macro (a, c, e, g) and micro (b, d, f, h) tensile fracture SEM images of CLAM steel in LBE under strain rate of 0.15 mm/min at 250 ℃ (a, b), 300 ℃ (c, d), 400 ℃ (e, f) and 500 ℃ (g, h)

圖8CLAM鋼在200~500 ℃、Ar氣中拉伸速率為0.015 mm/min時(shí)拉伸斷口的宏觀和微觀斷口形貌的SEM像

Fig.8Macro (a, c, e, g) and micro (b, d, f, h) tensile fracture SEM images of CLAM steel in Ar under strain rate of 0.015 mm/min at 200 ℃ (a, b), 250 ℃ (c, d), 450 ℃ (e, f) and 500 ℃ (g, h)

圖8和9為CLAM鋼在2種環(huán)境下在拉伸速率為0.015 mm/min時(shí)的宏觀和微觀斷口形貌的SEM像。由圖可知,在Ar氣環(huán)境中的斷口與拉伸速率為0.15 mm/min時(shí)的斷口沒有明顯的差異,均為韌性斷裂,出現(xiàn)了大量的韌窩和明顯的頸縮。而在液態(tài)Pb-Bi中慢速拉伸的斷口則略有不同,在250 ℃時(shí)的斷口即呈現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征。

圖9CLAM鋼在200~500 ℃液態(tài)Pb-Bi中拉伸速率為0.015 mm/min時(shí)拉伸斷口的宏觀和微觀斷口形貌的SEM像

Fig.9Macro (a, c, e, g) and micro (b, d, f, h) tensile fracture SEM images of CLAM steel in LBE under strain rate of 0.015 mm/min at 200 ℃ (a, b), 250 ℃ (c, d), 450 ℃ (e, f) and 500 ℃ (g, h)

3 分析討論

上述實(shí)驗(yàn)研究表明,經(jīng)低溫回火硬化后的CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi中表現(xiàn)出了對(duì)液態(tài)金屬致脆的敏感性。在溫度的影響下,CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi中經(jīng)300~450 ℃、0.15 mm/min速率下拉伸和在250~450 ℃、0.015 mm/min拉伸時(shí)均表現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象,與在Ar氣中的試樣相比,總延伸率顯著降低,但是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不大。通常情況下,液態(tài)金屬致脆更傾向于在應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)[15]。通過對(duì)拉伸曲線分析發(fā)現(xiàn),CLAM鋼在液態(tài)金屬中的脆化主要發(fā)生在材料發(fā)生頸縮之后。宏觀斷口形貌觀察表明,發(fā)生脆斷的試樣僅出現(xiàn)少量頸縮。以上結(jié)果說明,液態(tài)Pb-Bi對(duì)CLAM鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度沒有影響,且發(fā)生液態(tài)金屬致脆現(xiàn)象應(yīng)該開始于CLAM鋼發(fā)生頸縮的時(shí)候。而CLAM鋼在接觸液態(tài)Pb-Bi后在“韌谷”溫度范圍內(nèi)發(fā)生脆化可能是由于液態(tài)Pb-Bi的影響使得在頸縮過程中的應(yīng)力集中超過了臨界解理應(yīng)力,或者說是臨界解理應(yīng)力降低造成的。顯然,CLAM鋼在Ar氣環(huán)境中均為韌性斷裂,這也就是說在Ar氣環(huán)境中,CLAM鋼即使發(fā)生頸縮也沒有因?yàn)閼?yīng)力集中而超過臨界解理應(yīng)力,由此可以說明CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi中發(fā)生解理斷裂很可能是由于其與液態(tài)Pb-Bi接觸后使得臨界解理應(yīng)力降低造成的。通常,臨界解理應(yīng)力σc可以用下式表示[15]：

$\begin{array}{c}{?}_{?}=\sqrt{\frac{?{?}_{?}}{?}}\end{array}$(1)

式中,E為Young's模量,γs為材料的表面能,α是材料的點(diǎn)陣參數(shù)。式(1)中除了γs,其它參數(shù)在液態(tài)Pb-Bi和Ar氣環(huán)境中都相同,這就說明與液態(tài)Pb-Bi接觸后CLAM鋼的表面能會(huì)有所降低。這一結(jié)果再次印證了目前普遍接受的液態(tài)金屬會(huì)降低原子間結(jié) 合鍵從而導(dǎo)致表面能降低使得材料脆化的機(jī)制,即“Rehbinder效應(yīng) ”[21]。Stoloff等[22]闡明了液態(tài)金屬原子的吸附可導(dǎo)致裂紋尖端的原子間鍵能強(qiáng)度降低,使得微裂紋更容易萌生和擴(kuò)展,進(jìn)而發(fā)生解理斷裂。同時(shí),Ye等[23]研究發(fā)現(xiàn),液態(tài)Pb-Bi可促進(jìn)放射性裂紋形成,導(dǎo)致材料在塑形變形區(qū)域發(fā)生脆性斷裂。通過微觀斷口分析發(fā)現(xiàn),CLAM鋼在韌谷溫度范圍內(nèi)與液態(tài)Pb-Bi接觸后的斷口邊緣均出現(xiàn)明顯的裂紋萌生點(diǎn),且斷口均表現(xiàn)出典型的脆性解理斷裂。由于微裂紋多在靠近頸縮的塑性變形區(qū)域形成,導(dǎo)致靠近頸縮區(qū)域最先發(fā)生脆性開裂,裂紋以放射形向試樣芯部快速擴(kuò)展,使得試樣剛開始頸縮即發(fā)生斷裂。由于液態(tài)Pb-Bi通過原子滲透可與Fe原子以及其它合金元素原子發(fā)生反應(yīng),使得原子間結(jié)合力降低,進(jìn)而加速了萌生的裂紋擴(kuò)展,使得CLAM鋼提前發(fā)生斷裂,導(dǎo)致總延伸率下降。由于技術(shù)水平限制,本工作并未能給出有關(guān)液態(tài)Pb-Bi原子滲透進(jìn)入馬氏體板條或裂紋尖端中的直接證據(jù),但是對(duì)于液態(tài)金屬可以滲透進(jìn)入馬氏體板條界和裂紋尖端的現(xiàn)象已有報(bào)道[24]。

此外,韌谷現(xiàn)象的出現(xiàn)說明CLAM鋼發(fā)生脆化是由于液態(tài)Pb-Bi原子滲透和溫度的協(xié)同作用造成的,CLAM鋼只有在特定的韌谷溫度區(qū)間內(nèi)才會(huì)發(fā)生液態(tài)Pb-Bi致脆現(xiàn)象,本工作中即使在液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中拉伸實(shí)驗(yàn)溫度低于250 ℃或者高于450 ℃的試樣,其斷裂方式仍為韌性斷裂。Martin等[25]對(duì)低活化馬氏體耐熱鋼在液態(tài)Pb-Bi中的腐蝕行為研究表明,在靜態(tài)液態(tài)Pb-Bi環(huán)境中,低活化馬氏體耐熱鋼在低于500 ℃時(shí)只會(huì)發(fā)生浸潤并不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。因此,CLAM鋼在250~450 ℃區(qū)間內(nèi)發(fā)生液態(tài)Pb-Bi脆化可能與液態(tài)金屬和固態(tài)金屬之間的潤濕性有關(guān),通常液態(tài)金屬與鋼之間良好的潤濕性是發(fā)生液態(tài)金屬脆化的先決條件之一。本工作在較低實(shí)驗(yàn)溫度下CLAM鋼與液態(tài)Pb-Bi的潤濕性不是很好,導(dǎo)致脆化現(xiàn)象沒有發(fā)生。隨著溫度升高到250~450 ℃時(shí),固液界面的潤濕性得到改善,液態(tài)Pb-Bi原子溶解Fe及其它合金元素,導(dǎo)致裂紋尖端的原子鍵斷裂,臨界解理斷裂應(yīng)力降低,加速了裂紋擴(kuò)展,使得材料發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象。同時(shí),由于在該溫度區(qū)間內(nèi)材料因低溫回火后自身儲(chǔ)備韌性不足,也是CLAM鋼發(fā)生脆性斷裂的關(guān)鍵因素之一。隨著溫度繼續(xù)升高,材料自身的韌性提高后彌補(bǔ)了潤濕等脆化因素,此時(shí)韌性發(fā)生回復(fù),脆化現(xiàn)象消失。

不同拉伸速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi中致脆敏感性與應(yīng)變速率也有關(guān)系,在慢速拉伸條件下(0.015 mm/min),CLAM鋼發(fā)生液態(tài)金屬脆化的溫度范圍更大。這是由于在較低的應(yīng)變速率下,拉伸破壞了試樣表面原已存在的氧化膜,提高了新的金屬表面的潤濕性,促進(jìn)了液態(tài)Pb-Bi原子的滲透[10],且液態(tài)Pb-Bi與試樣表面接觸時(shí)間更長,進(jìn)而在慢速拉伸下表現(xiàn)出更高的液態(tài)Pb-Bi脆化敏感性。Hamouche-Hadjem等[9]在研究應(yīng)變速率對(duì)T91鋼和316L不銹鋼在液態(tài)Pb-Bi中的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn),應(yīng)變速率對(duì)液態(tài)金屬致脆影響很大,通常在應(yīng)變速率較小的條件下液態(tài)金屬致脆更容易出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)低溫回火硬化后的CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi中表現(xiàn)出對(duì)液態(tài)金屬致脆的敏感性,造成脆化的原因是由于液態(tài)Pb-Bi接觸裂紋尖端后使原子間結(jié)合強(qiáng)度降低、表面能降低,進(jìn)而導(dǎo)致臨界解理應(yīng)力降低,促進(jìn)脆性斷裂的發(fā)生。

(2) CLAM鋼與液態(tài)Pb-Bi接觸后對(duì)強(qiáng)度基本沒有影響,但在一定溫度區(qū)間會(huì)使材料的延伸率極度惡化,出現(xiàn)“韌谷”現(xiàn)象,試樣均發(fā)生脆性解理斷裂,且斷裂都發(fā)生在頸縮開始后,僅出現(xiàn)少量頸縮。當(dāng)拉伸溫度在低于或高于韌谷溫度區(qū)間時(shí),脆斷現(xiàn)象消失,總延伸率回復(fù)到與對(duì)比試樣相同水平,韌性回復(fù)。

(3) 應(yīng)變速率對(duì)CLAM鋼在液態(tài)Pb-Bi中發(fā)生脆化也有一定的影響。在拉伸速率為0.15 mm/min時(shí),韌谷的溫度范圍約在300~450 ℃之間,而當(dāng)拉伸速率降低到0.015 mm/min時(shí),韌谷溫度區(qū)間擴(kuò)大,介于250~450 ℃。

來源--金屬學(xué)報(bào)