质点对厚壁不锈钢管边界的几何强化会阻碍裂纹的滑动和连结

裂纹的形状通常能示出裂纹是由厚壁不锈钢管空穴(R一型),还是由三叉点裂纹(W-型裂)起始的。前者多呈锯齿形外观,但是由于整个试样的形变使晶间裂纹歪曲,试验时必须十分小心注意,而且不论裂纹起始时是R-型或是w一型,其外型都是十分不规则的。晶界结构的影响——在重要的商用合金中,晶间断裂主要取决于晶界内的沉淀相,而且这种沉淀影响着晶界附近区域内的显微组织。此外,晶界处的断裂取决于晶粒与晶界的相对强度,因此显微组织上的任何变化都可能显著地影响着晶间断裂的趋向。在这一节中将要讨论一些由镍基高温合金得出的许多结果,其中有兴趣的沉淀物是碳化物(通常是M。型)和Y(Ni(AlTi)。这些沉淀物对晶界强化的机理还不了解,但是曾发现厚壁不锈钢管没有沉淀物的晶界是弱的。另一方面,在晶界上连续的沉淀物是有害的,因为它对裂纹扩展来说将成为一个低能量的通道。看来一种较粗的Y 7/碳化物沉淀均匀地分布在晶界上,则是长寿命所必需的,这可能是由于质点间距控制着裂纹部分长度的缘故。与碳化物沉淀有关的晶界裂纹的一个实例。从图中可以看出,开裂是被限制在碳化物质点的间距之内。对Udimet700低循环疲劳行为的观察指出,开裂可能通过界面或通过质点断裂在晶界的碳化物或硼化物处开始。也曾发现MC6碳化物如以胞状形式沉淀将减少蠕变断裂的寿命,而块状碳化物沉淀会得到长的寿命。

有两个因素对厚壁不锈钢管晶界强化起着重要作用。第一,质点一基体界面的结合要比各种取向的基体更为牢固;这说明质点把一些溶质杂质都“收集”了起来。假使这些质点是等轴的并分布得较远,则质点对边界的几何强化会阻碍裂纹的滑动和连结。晶界组织的另一个重要特点,是在晶界的任意一边经常形成一些贫化区,其中没有Y7的沉淀或Y 7的沉淀比在晶内所占的体积百分数还小。这些区域的产生,是由于晶界碳化物和Y 7的沉淀带来了化学成分变化的结果。这些贫化区的存在提供了应力弛豫的部位,被认为是有益的。但是由于它们具有弱的切变抗力并且是一些应变集中区域,而在另一情况下又是有害的。有些人提出,这种软的边界区可能是有益的,因为厚壁不锈钢管在晶界处可能使裂纹尖端钝化;近来对铝一锌合金的工作显示出这种情况,因为有贫化区时,蠕变断裂存在一个W-型裂纹的缓慢延伸期。在另一些蠕变情况下,在低循环疲劳下,也可能在这些区域发现晶界开裂。在晶界沉淀线的一边出现的疲劳断裂,可能就是在这一区域内。

锆、硼二者更为恰当的组合,对镍基合金的蠕变性能产生有利的影响。这些元素减慢了晶界M23C6碳化物的聚集及其附近基体中Y7的贫化,从而阻碍了厚壁不锈钢管正应力边界上的显微开裂。这样也大大地延长了蠕变断裂寿命和显著地提高了断裂塑性,未发现这些元素对晶内的Y7沉淀有任何影响。晶界结构的一个重要特点,是沉淀硬化合金在高温下的使用期间以及在试验过程中,会不断地变化。例如,在厚壁不锈钢管中的应变时效可以使基体硬化到会出现过早的晶界破坏。热循环可导至碳化物相的粗化并带来性能的变化,在不锈钢中,a相也是在晶间位置形成的。对于在1472'F(800)疲劳的Nimonic90试样的观察表明,晶界附近的一些相显著长大,并且晶界附近的为使这些相长大而需要的元素同时产生贫化。Udimet700在蠕变中Y7晶界沉淀的显著变化。

晶界的滑动和迁移——晶界迁移可以防止晶界破坏,即通过晶界滑动使应力消失,或是将晶界微裂纹留在后面,使其相对地失去作用。在一些纯厚壁不锈钢管中,晶界迁移和滑动之间的平衡,可以用来解释在中等温度内出现的塑性最低值。尽管晶界迁移对单相材料是重要的,可是对于大多数商用高温合金并不重要,因为它们的晶界在很大程度上被沉淀所固定,但是偶尔也会发生局部范围内的迁移。虽然导致晶间滑动的详细过程还不十分了解,但有些试验已明显地指出,它是受到晶内形变控制的因此,基体的强度必须在某种程度上控制着由滑动产生的裂纹起始。

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