龔 豹 張國花

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西030024)

固溶處理對(duì)800H高溫合金力學(xué)性能的影響

龔 豹 張國花

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西030024)

通過對(duì)800H高溫合金固溶處理后的試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，分析了試樣斷口的宏觀情況，研究了不同固溶參數(shù)對(duì)800H高溫合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，固溶溫度對(duì)該高溫合金力學(xué)性能的影響高于保溫時(shí)間。

800H高溫合金；固溶處理；力學(xué)性能

1949年美國特種金屬公司研制了Ni-Cr-Fe奧氏體不銹鋼[1]，將牌號(hào)定義為Incoloy800。20世紀(jì)80年代，該系列合金正式進(jìn)入人們的視野[2]。Incoloy800H經(jīng)常被稱作800H高溫合金，該合金在高溫條件下仍然能保持穩(wěn)定的奧氏體結(jié)構(gòu)[3]，故而擁有良好的高溫力學(xué)性能、抗高溫腐蝕、較高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度以及較好的熱加工性能等特點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)于核電、石油化工和電站等重大型領(lǐng)域關(guān)鍵零部件，主要用于制造石油化工管道、硝酸冷凝器、蒸汽加熱管[4]和大型壓力容器[5]等一系列大型管道類和壓力容器類零部件。本文主要研究了不同固溶溫度和不同保溫時(shí)間對(duì)800H高溫合金力學(xué)性能的影響，并分析了該合金的斷裂方式。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用的800H高溫合金鑄坯具體化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

將鍛造好的800H高溫合金圓形坯料加工成試驗(yàn)所需的長方體塊料，然后將加工好的試樣置于KBF1400箱式電阻爐中，按照10℃/min的加熱速率分別加熱到既定固溶溫度(1050℃、1100℃和1150℃)，再保溫1 h、3 h和5 h，出爐后直接置于水中進(jìn)行固溶處理。固溶處理完成后，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

固溶處理是將奧氏體不銹鋼加熱到1100℃左右，使鋼中碳化物相全部或基本上溶解，并且使碳固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達(dá)到過飽和狀態(tài)的熱處理工藝[6]。該工藝制度主要適用于熱處理后需要進(jìn)一步加工的零件和焊接后工件，也能消除成形工序間的冷作硬化。

2.1 拉伸試樣分析

圖1是拉伸試樣斷裂后的宏觀情況。從圖1可以看出，拉伸試樣斷口處存在明顯的縮頸現(xiàn)象，由此可知該合金拉伸斷裂方式為韌性斷裂。仔細(xì)觀察斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，斷口與拉伸方向的夾角大致呈45°，這表明800H高溫合金從拉伸到斷裂的過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形后才斷裂，有著非常良好的塑性。

2.1.1 固溶溫度與力學(xué)性能之間的關(guān)系

800H高溫合金不同固溶溫度保溫5 h之后與力學(xué)性能之間的關(guān)系見圖2。從圖2不難發(fā)現(xiàn)，隨著固溶溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有不同程度上的減小，但減小的程度較為緩慢。然而，斷面收縮率卻隨固溶溫度升高出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，故塑性增強(qiáng)。由此說明，固溶溫度升高會(huì)使強(qiáng)度降低，斷面收縮率增加，從而塑性變形能力升高。

表1 800H高溫合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of superally 800H (mass fraction, %)

圖1 拉伸斷裂后試樣Figure 1 The fractured test specimens after tensile test

圖2 固溶溫度與力學(xué)性能之間關(guān)系Figure 2 The relation between the solution temperature and the mechanical property

圖3 保溫時(shí)間與力學(xué)性能之間關(guān)系Figure 3 The relation between the holding time and the mechanical property

2.1.2 保溫時(shí)間與力學(xué)性能之間關(guān)系

圖3是800H高溫合金固溶溫度為1100℃時(shí)不同保溫時(shí)間下與力學(xué)性能之間關(guān)系。隨著保溫時(shí)間的延長，抗拉強(qiáng)度減小的趨勢(shì)不明顯，屈服強(qiáng)度有著明顯的降低。但是，斷面收縮率仍然隨著保溫時(shí)間的延長出現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，增加速率逐漸減小。由此可以得出，保溫時(shí)間越長抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有不同程度的降低，但屈服強(qiáng)度受保溫時(shí)間影響比抗拉強(qiáng)度大。然而，斷面收縮率隨保溫時(shí)間延長有一定增加。

綜上可知，固溶溫度和保溫時(shí)間都在一定程度上降低了該合金的強(qiáng)度，同時(shí)提高了斷面收縮率。但從整體上來分析，固溶溫度對(duì)800H高溫合金的力學(xué)性能的影響稍大于保溫時(shí)間。

2.2 沖擊試樣分析

沖擊試樣斷裂后的宏觀情況如圖4所示，圖中顯示沖擊斷裂后的試樣仍然未完全分離。但仔細(xì)觀察卻能夠清楚的發(fā)現(xiàn)斷口處大部分區(qū)域呈暗灰色并伴有少許亮白色，而且試樣斷口周圍出現(xiàn)凹凸不平的纖維區(qū)，可以確定該試樣發(fā)生了韌性斷裂。出現(xiàn)韌性斷裂的原因是該高溫合金的固溶處理能夠使該合金中的各種相溶解，強(qiáng)化固溶體，塑性和韌性都有不同程度的增加，進(jìn)而使其塑性變形時(shí)間更持久更不強(qiáng)烈而不易發(fā)生斷裂。

2.2.1 固溶溫度與沖擊功之間關(guān)系

該高溫合金不同固溶溫度對(duì)沖擊功的影響如圖5所示。可以看出，隨著固溶溫度的升高，沖擊功呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。保溫時(shí)間為1 h時(shí)，固溶溫度繼續(xù)升高沖擊功增加的趨勢(shì)不明顯，因此該固溶溫度對(duì)高溫合金的沖擊韌性影響較小。當(dāng)固溶溫度由1050℃升高至1100℃時(shí)，沖擊功有了明顯提高，說明沖擊韌性大幅度增加。由此可知，固溶溫度升高會(huì)明顯提高該合金的沖擊性能，但在一定程度上也受保溫時(shí)間的影響。

圖4 沖擊斷裂后的試樣Figure 4 The sample after impact fracture

圖5 固溶溫度與沖擊功之間關(guān)系Figure 5 The relation between the solution temperature and the impact energy

圖6 保溫時(shí)間與沖擊功之間關(guān)系Figure 6 The relation between the holding time and the impact energy

2.2.2 保溫時(shí)間與沖擊功之間關(guān)系

保溫時(shí)間對(duì)沖擊功的影響如圖6所示?？梢杂^察到，隨保溫時(shí)間的延長，沖擊功整體呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，但增加速率逐漸減小。短時(shí)間保溫條件下，沖擊功的增長幅度并不明顯。當(dāng)保溫時(shí)間從1 h延長到3 h后，沖擊功有了明顯增加。保溫時(shí)間進(jìn)一步延長后，盡管沖擊功仍在增加，但增長幅度明顯減緩。由此可知，同一固溶溫度時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)沖擊功影響較為明顯。

綜上可知，短時(shí)間保溫下固溶溫度對(duì)沖擊功作用不明顯，而固溶溫度從1050℃升高至1100℃，沖擊功明顯提高。因此，與保溫時(shí)間相比，固溶溫度對(duì)該高溫合金的沖擊性能影響要略大一些。

3 結(jié)論

(1)800H高溫合金經(jīng)固溶處理后，試樣的斷裂方式均為韌性斷裂。

(2)隨固溶溫度升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但斷面收縮率有所增加。800H高溫合金的力學(xué)性能主要受固溶溫度的影響，保溫時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能影響不顯著。

(3)800H高溫合金的沖擊韌性隨固溶溫度的升高和保溫時(shí)間延長而不同程度增加，但固溶溫度對(duì)沖擊韌性的影響略高于保溫時(shí)間。

[1] 曹宇，邸洪雙，張潔岑，等. 800H合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為研究[J]. 金屬學(xué)報(bào)，2012(10)：1175-1185.

[2] 謝振紅. 800H合金技術(shù)要求及預(yù)制問題探討[J]. 上海化工，2015，40(6)：13-16.

[3] 王文彬. 基于熱壓縮模擬試驗(yàn)的800H合金高溫變形行為研究[J]. 鑄造技術(shù)，2014，35(7)：1387-1389.

[4] 楊錦明. Incoloy 800H 合金的應(yīng)用和性能分析[J]. 煉油設(shè)計(jì)，2002，32(6)：18-20.

[5] 張忠政，業(yè)成，支有冉，等. 800H合金大型壓力容器制造關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 材料與焊接，2015，30(4)：52-54.

[6] 崔忠圻，覃耀春. 金屬學(xué)及熱處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

編輯 杜青泉

Influence of Solution Treatment on Mechanical Property of Superalloy 800H

Gong Bao, Zhang Guohua

By performing the tensile test and the impact test with the test specimens of 800H superalloy after the solution treatment, the macro appearance of fracture surface of specimens has been analyzed, and the influence of different solution parameters on the mechanical properties of 800H superalloy has been studied. The results show that the influence of solution temperature on the mechanical properties of this superalloy is more than that of holding time.

800H superalloy; solution treatment; mechanical property

2016—11—20

龔豹(1989—)，男，主要研究方向：現(xiàn)代軋制設(shè)備設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)。

TG144

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