Monel400簡介：

Monel400合金是一種銅鎳合金耐蝕性優(yōu)良，在各種媒介中具有良好的耐腐蝕性，焊接性能好、高強(qiáng)度中度，該合金已在多種場合中應(yīng)用。在咸水或海水具有耐孔蝕、應(yīng)力腐蝕能力.尤其是耐氫氟酸和耐鹽酸.海洋工業(yè)Monel k500

前言

Monel-400合金是一種鎳基合金，其主要成分是鎳金屬，同時還含有銅金屬。它具有高強(qiáng)度和高耐蝕等優(yōu)良的物理特性，同時還表現(xiàn)出良好的物理性能和機(jī)械性能。因此，Monel-400合金在石油化工、核工業(yè)、國防工業(yè)等先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域中被大量使用于關(guān)鍵零部件。但是，由于monel-400合金具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)(21.744W/mK)和線膨脹系數(shù)(13.86×10?*K-')，因此它在焊接過程中容易受到熱裂傾向的影響。在局部加熱和冷卻的條件下，可能會引發(fā)嚴(yán)重的應(yīng)力和變形問題，從而導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)焊縫凝固裂紋的情況。目前對于高溫下的monel-400合金力學(xué)性能的研究非常有限。

本研究以monel-400合金為研究對象，通過進(jìn)行高溫拉伸試驗，分析了該合金在不同溫度下的力學(xué)性能變化。目的在于增加對monel-400合金高溫力學(xué)性能的了解，以供后續(xù)焊接相關(guān)研究參考。

1?試驗方法

1.1?試驗材料

試驗所使用的材料是monel-400合金，合金的化學(xué)成分可以在表1中找到，顯微組織特點可以在圖1中看到，主要為單相多邊形奧氏體組織。

1.2試驗方法

在Gleeble-1500D熱模擬實驗機(jī)上進(jìn)行的Monel-400合金高溫拉伸試驗，根據(jù)試驗要求，需要通過鉬絲切割對材料進(jìn)行加工，制成規(guī)格為φ6×120mm的試樣。在進(jìn)行試驗之前，需要確保試樣的表面處理干凈，并且測定其原始直徑。將試樣安裝到熱模擬機(jī)上后，在兩個夾頭之間測量標(biāo)距尺寸。試樣的加熱是通過將試樣放入模擬機(jī)閉合回路中實現(xiàn)的。將樣品以每秒10攝氏度的速度加熱到1100攝氏度，并保持3分鐘，然后以每秒3攝氏度的速度降低到不同的試驗溫度（分別為600攝氏度、700攝氏度、800攝氏度、900攝氏度、1000攝氏度和1100攝氏度）。在每次試驗溫度下，以每秒10的負(fù)三次方倍的應(yīng)變速率開始拉伸，直到樣品斷裂。整個試驗過程是在真空狀態(tài)下完成的。最后將高溫拉伸試樣的斷口用手工鋸切下來，做成掃描電鏡樣品，在掃描電鏡下完成對斷口的掃描。

2?試驗結(jié)果

2.1高溫拉伸性能

在不同溫度下拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可見于圖2中的monel-400合金。根據(jù)圖中顯示的情況，隨著試驗溫度的升高，monel-400合金的強(qiáng)度明顯變?nèi)?，抗拉?qiáng)度也隨之減小。例如，該合金在溫度為600℃時的抗拉強(qiáng)度為106.49MPa，在1100℃時的抗拉強(qiáng)度為22.41MPa，這表明變形溫度對該合金的變形抗力有很大的影響。合金的彈性變形較小，但隨著溫度的升高，塑性變形明顯增加。的11.22%升高到900℃的20.05%,斷面收縮率從700℃的20.47%升高到900℃的60.05%,說明在這個溫度區(qū)間內(nèi)隨著拉伸溫度的升高塑性變得越來越好。之后隨著拉伸溫度的繼續(xù)升高，合金的塑性呈減小的趨勢，到1100℃時基本減小到800℃時的水平。從曲線的整體來看呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，說明monel-400合金的高溫塑性先隨拉伸溫度的升高而變好并且在900℃左右時達(dá)到一個較好的性能，后隨拉伸溫度的升高高溫塑性變壞直到趨近于低溫水平。

圖3和圖4是monel-400合金在不同拉伸溫度下的熱強(qiáng)度和熱塑性曲線。從圖中可以看出：試樣隨著拉伸溫度的升高，合金的塑性先發(fā)生了降低，合金的延伸率從600℃的13.26%降到700℃11.22%,斷面收縮率從600℃的24.26%降到700℃

的20.47%。隨后拉伸溫度繼續(xù)升高，延伸率從700℃的11.22%升高到900℃的20.05%,斷面收縮率從700℃的20.47%升高到900℃的60.05%,說明在這個溫度區(qū)間內(nèi)隨著拉伸溫度的升高塑性變得越來越好。之后隨著拉伸溫度的繼續(xù)升高，合金的塑性呈減小的趨勢，到1100℃時基本減小到800℃時的水平。從曲線的整體來看呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，說明monel-400合金的高溫塑性先隨拉伸溫度的升高而變好并且在900℃左右時達(dá)到一個較好的性能，后隨拉伸溫度的升高高溫塑性變壞直到趨近于低溫水平。

從圖4中可以看出，在600～800℃的范圍內(nèi)，monel-400出現(xiàn)了低塑現(xiàn)象，延伸率和斷面收縮率在600～700℃的范圍內(nèi)是降低的，在700～800℃的范圍內(nèi)開始恢復(fù)，材料的強(qiáng)度在下降后沒有發(fā)生恢復(fù)。很多金屬都存在有“熱脆”現(xiàn)象，當(dāng)金屬在一定溫度區(qū)間進(jìn)行熱加工時，材料的塑性會出現(xiàn)一個“下降-恢復(fù)”的區(qū)間，分布于晶界的低熔點的共晶體熔化而導(dǎo)致開裂。但是不同的金屬材料在經(jīng)過不同的受熱過程后，在低塑的溫度范圍、塑性的下降和恢復(fù)速率及塑性的下降值等方面都不同。通過本課題研究證明monel-400合金在中焊接時也存在“熱脆”現(xiàn)象。

Monel-400合金是Ni-Cu固溶體的單相奧氏體合金],從Cu-Ni合金二元相圖中可以得到：當(dāng)Cu含量在31.8%時，溫度在1200℃以上時才能發(fā)生由單相奧氏體向液相+奧氏體轉(zhuǎn)變，才能發(fā)生部分晶粒熔化。而在焊接過程中形成的一些夾雜物及低熔點共晶物容易沿奧氏體晶界分布，這些晶界物質(zhì)強(qiáng)度低，脆性大，與奧氏體的變形能力有較大差異。它們與周圍金屬基體結(jié)合力較弱，容易產(chǎn)生熱裂紋源。同時由于熱量不易及時散出，容易形成過熱，造成晶粒粗大，使晶間夾層增厚，從而會減弱晶間的結(jié)合力。

當(dāng)monel-400合金在1100℃下保溫3 min后，由于沒有達(dá)到合金的熔點，所以合金材料不會發(fā)生的晶粒熔化，只是由母材內(nèi)的Ti、Si形成的部分低熔點共晶物會發(fā)生熔化而使晶界脆化并產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)受到外力或內(nèi)應(yīng)力的作用而發(fā)生晶界滑移，裂紋沿此擴(kuò)展，隨著奧氏體晶粒的粗大，晶界面積減少，晶界的變形能力下降，導(dǎo)致合金材料的塑性變差，產(chǎn)生低塑現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量降低合金中各種有害雜質(zhì)元素，使鋼形成有害相數(shù)量減少；為避免焊接接頭在焊接熱循環(huán)過程中產(chǎn)生裂紋源，應(yīng)避免對焊件約束時產(chǎn)生較大的拉力；同時由于monel-400合金在600～800℃時產(chǎn)生"熱脆"現(xiàn)象，所以該合金焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免在此溫度區(qū)間內(nèi)使用。

2.2拉伸斷口宏觀形貌

圖5為monel-400試樣在Gleeble-1500D熱模擬實驗機(jī)上經(jīng)過不同溫度拉伸后的照片。從圖中可以看出試樣的斷口呈現(xiàn)出不同的形貌。在600～700℃時，拉伸斷口為脆性斷裂，斷口表現(xiàn)出很明顯的脆性撕裂形貌，塑性較差。而在800～1000℃時，拉伸試樣可以看到出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，表明在此溫度區(qū)間下拉伸試樣表現(xiàn)出了較好的高溫塑性，有較大的延伸率和斷面收縮率。其中在900℃時試樣頸縮最嚴(yán)重，說明在此溫度下試樣的塑性最好，與上面的分析相符。當(dāng)溫度升高到1100℃時，由于溫度接近于材料的熔點，塑性較差。通過圖4中的拉伸斷口的形貌表現(xiàn)出的合金的塑性與圖3做對比，表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。從圖5中還可以看出試樣在拉伸時溫度的升高主要處于只有中間部分，而試樣兩端溫度相對較低，這樣就保證兩端沒有發(fā)生相的變化，只有中間處于高溫變形區(qū)從而使得試樣在變形時會在中間斷裂。

2.3拉伸斷口掃描照片

為了進(jìn)一步分析monel-400合金的高溫拉伸性能，對拉伸試樣斷口進(jìn)行掃描。圖6為試樣斷口的掃描照片，從圖6(a)、(b)可以看出試樣在600℃和700℃拉伸時為脆性斷裂，斷口都呈現(xiàn)出河流狀的形貌，為準(zhǔn)解理斷裂，所以此溫度下合金的塑性差。圖6(c)為800℃時拉伸的斷口形貌，從圖中可以看到斷口形貌中出現(xiàn)了一些韌窩，但仍然存在明顯的準(zhǔn)解理斷裂，因此此溫度下的斷口也屬于脆性斷裂，但對比前面兩個溫度區(qū)間，此時合金試樣的塑性較好。

圖7為幾個斷口的高倍放大圖，從這些圖中我們可以獲得斷口斷裂的細(xì)節(jié)。從圖中可以看出斷面的形貌是凹凸不平的，呈石塊狀，幾乎看不到韌窩，沒有明顯的塑性變形。在700℃的斷口表面可以看到有一些低熔點的物質(zhì)熔化，由此可以很好的說明上面的觀點。

3結(jié)論

(1)?通過對monel-400合金進(jìn)行高溫拉伸試驗，得到600～1100℃的應(yīng)力應(yīng)變曲線，合金在600℃時的抗拉強(qiáng)度為106.49 MPa,在900℃時塑性最好，斷面收縮率達(dá)到60.05%。

(2)?monel-400合金在600?～800℃溫度區(qū)間存在"熱脆"區(qū)，合金的塑性在此溫度區(qū)間內(nèi)降低。

(3)通過對高溫拉伸試樣斷口形貌觀察，得出monel-400合金在600～800℃的溫度區(qū)間主要以脆性斷裂為主。