简介概要

低氧含量V-5Cr-5Ti合金的高温拉伸性能研究

来源期刊：稀有金属2021年第3期

论文作者：李卿李增德谢兴铖

文章页码：272 - 278

关键词：低氧含量V-5Cr-5Ti合金;高温拉伸性能;第二相颗粒;准解理断裂;微孔聚合型断裂;

摘要：采用真空电子束熔炼技术制备了低氧含量（0.018%～0.022%,质量分数）的V-5Cr-5Ti合金,利用光学显微镜（OM）、电子万能试验机和扫描电镜（SEM）研究了该合金在25,300,900和1100℃温度下的拉伸力学性能及断裂行为特点。结果表明:变形后的低氧含量V-5Cr-5Ti合金在1020℃×1.5 h的真空退火后获得等轴状细晶组织;相对于氧含量较高（约0.038%）的V-5Cr-5Ti合金而言,低氧含量合金在高温拉伸变形下的抗拉强度稍有下降,但塑性提升显著,从而具备更加优异的综合力学性能;低氧含量V-5Cr-5Ti合金由于氧含量较低,在一定程度上减少了基体中第二相颗粒含量,合金塑性得到一定提高,在本实验温度下的拉伸断裂主要是以韧性断裂为主,其中在25℃下的拉伸断裂为准解理断裂,在300,900和1100℃下的拉伸断裂均为典型的微孔聚合型断裂,断口表现为大大小小、深浅不一的等轴状韧窝,而且随着温度提高,韧窝由小而浅变得大而深。

网络首发时间: 2019-03-04 09:08

稀有金属 2021,45(03),272-278 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy19010037

低氧含量V-5Cr-5Ti合金的高温拉伸性能研究

李卿李增德谢兴铖

摘要：

采用真空电子束熔炼技术制备了低氧含量(0.018%～0.022%,质量分数)的V-5Cr-5Ti合金,利用光学显微镜(OM)、电子万能试验机和扫描电镜(SEM)研究了该合金在25,300,900和1100℃温度下的拉伸力学性能及断裂行为特点。结果表明:变形后的低氧含量V-5Cr-5Ti合金在1020℃×1.5 h的真空退火后获得等轴状细晶组织;相对于氧含量较高(约0.038%)的V-5Cr-5Ti合金而言,低氧含量合金在高温拉伸变形下的抗拉强度稍有下降,但塑性提升显著,从而具备更加优异的综合力学性能;低氧含量V-5Cr-5Ti合金由于氧含量较低,在一定程度上减少了基体中第二相颗粒含量,合金塑性得到一定提高,在本实验温度下的拉伸断裂主要是以韧性断裂为主,其中在25℃下的拉伸断裂为准解理断裂,在300,900和1100℃下的拉伸断裂均为典型的微孔聚合型断裂,断口表现为大大小小、深浅不一的等轴状韧窝,而且随着温度提高,韧窝由小而浅变得大而深。

关键词：

低氧含量V-5Cr-5Ti合金;高温拉伸性能;第二相颗粒;准解理断裂;微孔聚合型断裂;

中图分类号： TG146.413

作者简介：李卿(1986-),男,河北保定人,硕士,高级工程师,研究方向:钒合金及钼铜合金材料,电话:010-60662668,E-mail:liqing@grinm.com;

收稿日期：2019-01-31

基金：国家自然科学基金委大科学装置联合基金项目(U1532262)资助;

High Temperature Tensile Properties of Low-oxygen V-5Cr-5Ti Alloy

Li Qing Li Zengde Xie Xingcheng

GRIMAT Engineering Institute Co.,Ltd.

Abstract：

In the process of preparation and later deformation processing of vanadium based alloy,impurity elements such as O,C,N in the alloy were easy to react with matrix elements to form second phase particles,such as Ti(CON),which affected the processability and application performance of the alloy. The oxygen content of V-5Cr-5Ti alloy studied in many literatures was above 0.038%(mass fraction). The purpose of this paper was to study the microstructure evolution and high temperature tensile properties of V-5Cr-5Ti alloy with low oxygen content at different annealing temperatures. Low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy with 0.018%～0.022%(mass fraction)oxygen content was prepared with vacuum electron beam melting method. The V-5Cr-5Ti alloy ingot was processed by vacuum packaging,and then rolled into 8 mm plate by multi pass rolling. The vacuum annealing tests(temperature of 980,1020,1060,1100 ℃;time of 1.5 h;vacuum degree less than 2×10^-2 Pa)were carried out on the alloy plate. The microstructure of V-5Cr-5Ti alloy sheet after vacuum annealing was analyzed by optical microscope(OM). The alloy's tensile mechanics and fracture behavior characteristics at 25,300,900 and 1100 ℃ were studied by electronic universal testing machine and scanning electron microscope(SEM).The results showed that:(1)The recrystallization structure of the deformed low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy was obtained after vacuum annealing at 1020 ℃ for 1.5 h. The grains were equiaxed with the smallest size.(2)The tensile mechanical properties of low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy were similar to those of conventional alloy. The two alloys had high tensile strength,low yield ratio,and excellent application properties at 25 ℃ and 300 ℃;and they had good plasticity,high yield ratio and excellent plastic processing properties at 1100 ℃.(3)A large number of fine equiaxed dimples,a small number of elongated dimples,tearing edges and some cleavage steps were dispersed on the fracture surface of room temperature tensile alloy. The fracture surface of low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy,which was stretched at 300,900 and 1100 ℃,showed equiaxed dimples of different sizes and depths,and the dimples grew from small and shallow to large and deep with temperature increasing. The second phase particles could be clearly seen at the bottom of some dimples.(4)During the tensile deformation of V-5Cr-5Ti alloy with low oxygen content at 300 and 900 ℃,Ti atoms reacted with a small amount of interstitial impurity atoms(C,O,N,etc.)to form new second phase particles,which increased the content of second phase particles in the alloy. Under the action of tensile stress,a large number of micropores were formed in the second phase,which grew up,gather and finally fracture,thus forming dimples on the fracture surface. The second phase grew rapidly and no recrystallization could be obtained after tensile deformation at 900 ℃. At 1100 ℃,the second phase particles decomposed and the second phase decreased. At the same time,the dynamic recrystallization occurred in the alloy at high temperature. The plastic deformation ability of the alloy was enhanced and large and deep dimples appeared. Therefore,compared with the V-5Cr-5Ti alloy with high oxygen content(about 0.038%),the tensile strength of the alloy with low oxygen content slightly decreased,but the plasticity increased significantly,so it had better comprehensive mechanical properties. The low oxygen content of V-5Cr-5Ti alloy reduced the content of the second phase particles in the matrix to a certain extent,which improved the plasticity of the alloy. The tensile fracture of low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy at the experimental temperature was mainly ductile fracture. Tensile fracture was quasi-cleavage fracture at 25 ℃,and typical micropore aggregation fracture at high temperature.

Keyword：

low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy; high temperature tensile properties; second phase particle; quasi-cleavage fracture; micropore aggregation fracture;

Received： 2019-01-31

钒基合金具备优良的抗中子辐照稳定性、耐液态金属腐蚀和良好的高温强度等特性 ^{[1,2,3,4,5,6]} ，是聚变堆的重要候选结构材料，广泛应用于聚变反应堆的第一壁、包层等结构材料中 ^{[7,8,9,10,11,12]} 。早在20世纪60年代，美国、日本、前苏联等国家开始了对钒基合金的研究工作。我国于20世纪90年代开始对钒合金进行了相关研究，主要集中在核工业西南物理研究院、北京有色金属研究总院等科研单位。

目前，国内外对钒基合金的研究主要集中在V-(4～5)Cr-(4～5)Ti合金。研究涉及V-Cr-Ti合金反应堆条件下的性能演变和寿命方面 ^[5,8,13] ，拉伸及压缩性能 ^{[14,15,16,17,18]} ，高温力学性能 ^[7,17] ，以及第二相行为研究 ^[19,20,21] 。研究发现钒基合金中V,Cr,Ti都是强碳、氧、氮等化合物形成元素，在合金制备过程及后期高温加工过程中容易和C,O,N等杂质元素发生反应生成第二相颗粒，主要是Ti(CON），其影响合金的加工性能及应用性能。相关文献 [ 4, 10, 11, 12, 13, 14, 15] 报道中的V-5Cr-5Ti合金的氧含量均在0.038%（质量分数）以上，本文通过真空电子束熔炼技术制得了氧含量为0.018%～0.022%的V-5Cr-5Ti合金，一定程度上减少了Ti(CON）等第二相生成，进而研究了该种低氧含量V-5Cr-5Ti合金的高温拉伸性能规律。

1实验

低氧含量V-5Cr-5Ti合金由高纯金属V,Cr,Ti为原料，通过真空电子束方法熔炼制得，其氧含量较常见V-5Cr-5Ti合金 ^{[4,10,11,12,13,14,15]} 降低了40%以上，而C,N含量均与其相当。实验中将低氧含量合金铸锭真空封包套处理后进行锻压开坯，经过多次轧制成8 mm板材。低氧含量V-5Cr-5Ti合金铸锭及板材的化学成分见表1。合金板材取样进行真空退火试验，温度为980,1020,1060,1100℃，时间为1.5 h，真空度小于2×10^-2Pa。采用光学显微镜（OM）分析V-5Cr-5Ti合金真空退火后组织，试样进行电解腐蚀处理，腐蚀液为HF∶H₂O=1∶10（体积比），电压15 V，电流0.6～1.0 A，腐蚀时间30 s。

室温及高温拉伸试验在CMT5105电子万能试验机上进行，拉伸试样取自经1020℃×1.5 h、真空度小于2×10^-2Pa退火处理后的合金轧制板材，试样为标距为25 mm的M6圆柱拉伸试样，拉伸试验温度为室温25,300,900和1100℃，25℃拉伸试验条件为大气环境，高温为抽真空、充氩气保护，通电加热至试验温度，保温15 min，试验速度均为2 mm·min^-1。然后利用HITACHI S4800扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸断口形貌。

表1 低氧含量V-5Cr-5Ti合金的化学成分下载原图

Table 1 Chemical composition of low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy(%,mass fraction)

2结果与讨论

2.1高温真空退火组织

如图1(a）所示，退火温度为980℃的低氧含量V-5Cr-5Ti合金组织开始发生回复再结晶，个别部位有细小的再结晶晶粒存在，但仍可见呈纤维状的拉长变形晶粒，可见再结晶不是很充分；当退火温度为1020℃时，合金组织基本为细小的呈等轴状的再结晶晶粒组织；当退火温度升至1060℃与1100℃时，合金组织也是等轴状晶粒组织，但晶粒发生了长大。为了获得较佳的综合力学性能，合金轧制板材可以采用1020℃×1.5 h的真空退火制度。

2.2拉伸力学性能

如图2所示，经1020℃×1.5 h真空退火的低氧含量V-5Cr-5Ti合金在不同温度条件下拉伸曲线表现出典型的金属应力-应变曲线特征：拉伸开始阶段曲线呈直线状态，此阶段为材料弹性变形阶段；然后曲线在屈服点开始偏离直线关系，爬升至最高点，此阶段材料主要发生均匀塑性变形；在曲线最高点处试样开始产生颈缩，直至最后拉断，此阶段曲线呈下降趋势，材料发生不均匀塑性变形。低氧含量V-5Cr-5Ti合金拉伸变形过程中，不同温度下的弹性变形阶段均较短；材料在25℃及300℃拉伸变形具备较长的均匀塑性变形阶段，占总拉伸变形50%以上，而后发生颈缩不均匀变形过程较为迅速，很快发生拉断现象；材料在900℃及1100℃下拉伸很快发生屈服，而且均匀塑性变形阶段很短，应力很快达到高点，而后发生漫长的颈缩不均匀变形，尤其是1100℃的颈缩变形阶段占总拉伸变形过程高达90%以上，材料体现出很好的塑性变形能力。

图3为低氧含量V-5Cr-5Ti合金与常规V-5Cr-5Ti合金（O含量0.04%左右）的拉伸力学数据对比图。观察图3(a,b）发现，从整体看，随着温度升高两种V-5Cr-5Ti合金的抗拉强度及屈服强度均呈下降趋势，合金的延伸率及断面收缩率先是平缓降低，在900℃时达到最低点，然后在1100℃时迅速升至高点；两种合金在室温及300℃下具备高抗拉强度及屈服强度，低屈强比（材料可靠性较好），较高的延伸率及断面收缩率，可见V-5Cr-5Ti合金具备优良的综合力学性能；900℃下强度较高，塑性变差；在1100℃下屈强比较高（材料可靠性变差），高延伸率及断面收缩率，V-5Cr-5Ti合金具备良好的塑性变形加工能力。从图3具体对比看，在室温及1100℃下的两种V-5Cr-5Ti合金的抗拉强度及屈服强度均相差不大，在300℃及900℃下低氧含量V-5Cr-5Ti合金的抗拉强度比常规合金分别低4%及9%，而屈服强度分别高9%及3%，由此可见低氧含量V-5Cr-5Ti合金的拉伸强度稍有下降。另外，在不同温度下，低氧含量V-5Cr-5Ti合金的延伸率及断面收缩率均高于常规合金，其中延伸率提高量均在12%以上，断面收缩率提高较为显著，尤其在300℃及900℃下提高了58%，由此可见低氧含量V-5Cr-5Ti合金的塑性提高显著。通过以上对比可见，低氧含量V-5Cr-5Ti合金具备更加优异的综合力学性能。

图1 低氧含量V-5Cr-5Ti合金的高温退火组织

Fig.1 OM images of low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy annealed at high temperatures(a)980℃；（b)1020℃；（c)1060℃；（d)1100℃

图2 低氧含量V-5Cr-5Ti合金在不同温度下的拉伸曲线

Fig.2 Low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy’s tensile curves at differ-ent temperatures

两种V-5Cr-5Ti合金在300℃及900℃时拉伸变形时，在高温下Ti原子与少量间隙杂质原子（C,O,N等）反应生成新的第二相颗粒，从而增加了合金基体第二相颗粒含量，拉伸变形时第二相颗粒对位错有一定钉扎作用提高强度，但Ti原子减少造成的固溶强化下降作用更为明显，另外也增加了裂纹源因子，增加了断裂倾向，所以造成在此温度下合金的抗拉强度及屈服强度均下降，延伸率及断面收缩率也下降。低氧含量V-5Cr-5Ti合金在300℃拉伸变形时，一方面间隙杂质O原子含量低，另一方面温度相对较低，Ti原子参与生成第二相颗粒的速度缓慢，但也产生了一定的第二相固溶强化作用，而且强化效果高于Ti原子固溶强化下降效果，从而造成抗拉强度有所增加。在1100℃拉伸变形时，合金中固有的一部分第二相颗粒Ti(CON）发生分解扩散，降低了第二相固溶强化效果，造成抗拉强度及屈服强度快速降低；另外在1100℃温度下拉伸变形时，V-5Cr-5Ti合金处于动态回复与再结晶状态，位错密度降低，所以抗拉强度有所下降、塑性显著提高。对于低氧含量的V-5Cr-5Ti合金而言，其O原子含量低，与Ti原子生成的第二相颗粒减少，产生的第二相固溶强化作用稍弱，所以造成抗拉强度有所减弱，塑性提高，进而具备更加优异的综合力学性能。

2.3拉伸断口形貌

图4是低氧含量V-5Cr-5Ti合金在不同温度下的拉伸断口宏观形貌图。从图中可看出，拉伸试样存在不同程度的颈缩现象，且断口可以看到数量不等、大小不一、或深或浅的韧窝，基本可以判断低氧含量V-5Cr-5Ti合金在不同温度下的拉伸主要为韧性断裂 ^[22,23] 。另外，室温拉伸断口中有较大的凹坑，疑似撕裂韧窝，见图4(a);300℃拉伸断口具有明显的纤维区、放射区及剪切唇区，而且纤维区中有非常细小的等轴状韧窝，见图4(b);900℃拉伸断口中可以看到明显的纤维区，而放射区及剪切唇区不明显，纤维区中存在数量较多的等轴状韧窝，见图4(c);1100℃拉伸断口可以看到明显的纤维区及剪切唇区，放射区不明显，纤维区中的等轴状韧窝尺寸较大，数量较多，见图4(d）。

图3 不同温度下两种V-5Cr-5Ti合金的拉伸性能对比

Fig.3 Comparison of tensile properties of two different V-5Cr-5Ti alloys at different temperatures(A:low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy;B:conventional V-5Cr-5Ti alloy)

(a)Ultimate tensile strength and yield strength;(b)Total elongation and area reduction at fracture

图4 低氧含量V-5Cr-5Ti合金在不同温度下的拉伸断口宏观形貌

Fig.4 SEM images of low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy tensile specimens at different temperatures(a)25℃；（b)300℃；（c)900℃；（d)1100℃

图5是低氧含量V-5Cr-5Ti合金在不同温度下的拉伸断口微观形貌图。合金的室温拉伸断口上弥散分布大量细小的等轴状韧窝、少量伸长韧窝、撕裂棱和一些解理台阶，这是典型的准解理断裂，具备微孔聚合型及解理型混合特征，见图5(a,b）。这是由于合金在室温下拉伸变形时塑性较差，在合金内部产生了许多解理小裂纹，当解理小裂纹沿两个高度不同的平行解理面上扩展相交时，通过解理裂纹与螺型位错相交或二次解理撕裂等方式形成解理台阶，而其他残余连接部分以塑性方式撕裂，形成大量细小的等轴或伸长韧窝。

如图5(c～f）所示，低氧含量V-5Cr-5Ti合金在300,900和1100℃下拉伸时，其断口具备微孔聚合型断裂的形貌特征，表现为大大小小、或深或浅的韧窝，而且随着温度提高，韧窝由小而浅变得大而深，在一些韧窝底部可以清晰的看到第二相颗粒。韧窝由微孔聚合长大形成，而微孔大多形成于夹杂物或第二相处；韧窝的形状取决于材料应力状态或加载方式，韧窝的大小、深浅取决于材料中第二相的数量、分布情况及材料的塑性变形能力。低氧含量V-5Cr-5Ti合金在300℃和900℃高温下拉伸变形时，Ti原子与少量间隙杂质原子（C,O,N等）反应生成新的第二相颗粒，增加了合金中第二相颗粒含量，在拉应力作用下，在第二相处形成大量微孔，微孔长大、聚集最后断裂，从而在断口上表现为韧窝。在900℃时，合金中第二相长大迅速，同时拉伸变形后得不到回复再结晶，加工硬化严重，则出现大而浅的韧窝。在1100℃时，合金中第二相颗粒发生分解，第二相减少，同时高温下合金发生动态再结晶，合金的塑性变形能力变强，出现了大而深的韧窝。

图5 低氧含量V-5Cr-5Ti合金在不同温度下的拉伸断口微观形貌

Fig.5 SEM images of low-oxygen V-5Cr-5Ti alloy tensile spec-imens at different temperatures

(a,b)25℃；（c,d)300℃；（e)900℃；（f)1100℃

3结论

1.低氧含量V-5Cr-5Ti合金与常规合金的室温、高温拉伸力学性能相似，两种合金在25℃及300℃下的拉伸强度高、屈强比低，具备优异的应用性能；在1100℃下的塑性好、屈强比高，具备优异的塑性加工性能。

2.在室温及高温下拉伸时，低氧含量V-5Cr-5Ti合金的抗拉强度比常规合金稍有下降，但塑性提升明显，具备更加优异的综合力学性能。

3.低氧含量V-5Cr-5Ti合金中O含量低，在一定程度上减少了基体中第二相颗粒含量，塑性得到提高，合金在本实验温度下的拉伸断裂主要是以韧性断裂为主，在25℃下的拉伸断裂为准解理断裂，高温断裂均为典型的微孔聚合型断裂，断口表现为大大小小、深浅不一的等轴状韧窝，而且随着温度提高，韧窝由小而浅变得大而深。