镍基多晶高温合金的中子衍射应力分析研究(镍基高温合金成分和性能原来是这些！)

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本文导读目录：

1、镍基多晶高温合金的中子衍射应力分析研究

2、镍基高温合金成分和性能原来是这些！

3、高温合金（镍基耐热合金）的特性及应用

镍基多晶高温合金的中子衍射应力分析研究

　　【摘要】：GH4169合金(美国牌号为Inconel718)是一种以Ni为基体的变形高温合金,其基体相结构为fcc面心立方,以"(Ni3Nb)为主要强化相并存在一定析出相'(Ni3(Al,Ti,Nb))的强化,在-253℃～650℃温度之间具有良好的力学性能强度(屈服强度、抗拉强度、持久强度)及一定的塑性,同时具有良好的防腐蚀、防辐射、热加工及焊接性能,此外该合金不含有稀缺资源Co,因此成为石油化工、航空、航天、核能等领域大量应用的关键材料。

　　固溶后的冷却速度是决定GH4169合金的服役性能的一个关键因素。

　　固溶后快速冷却可以避免强化相在淬火过程中大量析出及异常长大,使得强化相在时效后均匀地弥散析出,从而获得理想力学性能。

　　然而过快的冷却速度会导致工件内部产生非常大的温度梯度,引发材料的非均匀塑性变形,较大的残余应力也因此产生。

　　高温合金层错能较低,这使得残余应力易累计、难释放,且量级较大。

　　淬火产生的残余应力会始终保留在毛坯中,导致在零件加工中产生异常变形问题,造成零件尺寸精度不足,影响正常装配。

　　另外GH4169工件在使用过程中,内部残余应力会与外载耦合,造成分布和方向不合理的残余应力,这会引起超过预期的形变,从而造成构件结构失稳,严重的,还有可能引发重大事故。

　　所以为了提高GH4169合金构件的服役寿命和安全性,则需对加工及服役过程中,合金的残余应力进行掌握。

　　所以通过实验来准确表征GH4169合金在不同阶段的残余应力,并且建立起内部残余应力与某类特定参数之间的关联就显得十分必要,从而达到对特定参数的调整来控制残余应力的大小的目的。

　　本文从GH4169合金内部残余应力演变的角度出发,通过中子衍射技术和模拟仿真技术结合来研究GH4169合金的残余应力分布与演化,探索了残余应力与宏观条件之间的关联。

　　研究内容主要分为三个部分,第一部分为GH4169合金中子衍射特性的基础研究。

　　对中子衍射实验相关参数设置进行了探索,并建立起了一系列的实验方法,为GH4169合金中子衍射实验奠定了基础。

　　第二部分是GH4169合金淬火残余应力中子衍射研究。

　　对GH4169合金淬火后残余应力进行中子衍射测试以及对淬火过程进行仿真模拟计算,通过实验测量结果来对比验证模拟仿真计算的可信度,然后根据仿真模拟过程来了解淬火过程残余应力的形成及演化。

　　第三部分是在GH4169合金弹性变形阶段,通过加入一定外载力,得到残余应力与外载应力叠加状态,研究该状态下材料结构与应力状态的变化。

　　首先根据静态单轴拉伸的加载方式以及中子衍射实验的基本要求确定了样品夹具的设计和加载设备的基本参数设置,然后对两种不同应力状态的样品分别进行了单轴拉伸的中子衍射测试,根据无应力样品中子衍射测试结果,建立了GH4169合金的杨氏模量的测量方法,用测量后的杨氏模量来处理应力样品的单轴拉伸中子衍射测试结果,发现了GH4169合金在拉伸的早期阶段,由于材料内部不同区域的应力对于外载应力的响应变化不一致,而是当外载应力达到一定程度后,不同位置应力响应才趋于一致。

　　说明了当受到外力作用时,工件内部原先的自平衡应力会被打破,残余应力会重新分配以保持与外力的平衡,当达到新的平衡后内部不同位置应力随外载的增加响应才会保持同步。

镍基高温合金成分和性能原来是这些！

　　其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的舒缓反应和抗燃气腐蚀能力。

　　镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起舒缓反应和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。

　　根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。

　　可供材料标准涵盖ASTM、ASME、EN、JIS、GB、RCCM、AWS。

高温合金（镍基耐热合金）的特性及应用

　　常用的镍基合金以面心立方结构的相为基体，沉淀强化相以′-[Ni3(Al,Ti)]为主，可占合金中体积分数的50～70％，此外还可以形成＂-Ni3Nb共格相。

　　在镍基合金中尚存在MeC、MeC6、Me23C6等碳化物。

　　ⅰ固溶处理形变镍基高温合金一般固溶处理温度为1040～1230℃。

　　固溶处理的冷却速度对合金的组织与性能有较大的影响。

　　倘若炉冷至室温，虽能强化晶界，但由于缓慢冷却可使晶界析出相粗化，导致合金的硬度、强度显著降低。

　　反之，快速冷却则有利于随后时效过程中从晶内沉淀析出弥散分布的′相，使合金获得较佳的强化效应。

　　为了兼顾晶界与晶内两方面的性能，一般在固溶处理过程中采用分级冷却，即先炉冷到某一中间温度，然后空冷，或直接在某一中间温度时效。

　　中间温度越低，则晶界锯齿状越明显，硬度越低。

　　ⅲ中间热处理所谓中间热处理可称为中间时效，亦可称为第二次固溶处理，以′相溶解温度为分界。

　　经中间热处理可以有效的控制合金的晶界沉淀相的种类、大小、数量和分布；控制晶内′相的分布，为最后的时效处理做好组织上准备。

　　由于熔炼新工艺、细化晶粒及小孔铸造技术的发展，使铸造镍基高温合金的质量获得较大的改善与提高。

　　因此，铸造镍基高温合金的使用温度可达1050℃。

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