摘要：在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上對大氣環(huán)境下欠時(shí)效態(tài)、峰時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)3J21合金的拉伸性能進(jìn)行研究，并采用金相顯微鏡、X射線衍射儀對各時(shí)效態(tài)金相組織及物相進(jìn)行分析，采用TEM對固溶態(tài)、時(shí)效態(tài)試樣及拉伸斷口附近形變的顯微組織進(jìn)行分析，采用掃描電鏡對拉伸斷口進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，峰時(shí)效態(tài)3J2l合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均略高于欠時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)合金，但其伸長率略低于欠時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)合金；各時(shí)效態(tài)合金的拉伸斷口均為韌窩斷口，欠時(shí)效態(tài)合金斷口附近顯微組織中滑移線之間的距離最小，峰時(shí)效態(tài)合金滑移線之間的距離最大，而過時(shí)效態(tài)合金滑移線之間的距離介于兩者之間。

關(guān)鍵詞：3J2l合金，時(shí)效，拉伸性能

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3J21合金被認(rèn)為是綜合性能最好的鈷基高彈性合金之一。已有研究結(jié)果表明對該合金進(jìn)行形變熱處理后，可獲得高的彈性性能、強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐疲勞性和無磁性等，同時(shí)在許多介質(zhì)中具有很高的耐腐蝕能力，具有一定的熱穩(wěn)定性和較低的缺口敏感性。因此3J21合金在國防和民用工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。適宜制作小截面的彈性元件以及航空航天器上的精密器件，航天器的空間工作環(huán)境具有特殊性和復(fù)雜性，如：(1)真空環(huán)境(真空度約為10~-12～100Pa)；(2)高低溫交變的環(huán)境(約一200~199℃)；(3)紫外線和高能粒子的輻射；(4)近地軌道原子氧的侵蝕。在這樣的環(huán)境下工作會(huì)使合金的性能受到影響，為保持其性能的穩(wěn)定性，在制造前需進(jìn)行時(shí)效處理。本文主要以大氣條件下欠時(shí)效態(tài)、峰時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)3J2l合金為典型材料，研究不同時(shí)效狀態(tài)對合金拉仲性能及斷裂行為的影響，為設(shè)計(jì)選材提供理論依據(jù)。

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1實(shí)驗(yàn)

3J21合金的化學(xué)成分見表1。

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3J2l合金在真空爐中進(jìn)行固溶處理，工藝為(1180±5)℃保溫1．5h水淬后，經(jīng)30％冷軋變形制成1．1mm薄板，在450℃的恒溫箱中進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效過程中每間隔一定時(shí)間取樣進(jìn)行維氏硬度測試，硬度實(shí)驗(yàn)在HVS一5型維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，載荷為1kg，加載時(shí)間為10s，物鏡放大倍數(shù)為40倍。所得時(shí)效硬化曲線如圖1所示。該曲線的變化規(guī)律與時(shí)效過程中發(fā)生冷變形應(yīng)力的消失和回復(fù)以及第二相粒子從固溶體中析出這兩個(gè)過程有關(guān)。但在本階段尚未深入探討它們的微觀結(jié)果，不能準(zhǔn)確解釋該曲線的變化規(guī)律，有待迸一步研究。

根據(jù)圖1選定的欠時(shí)效時(shí)間為4h，峰時(shí)效時(shí)間為8h，過時(shí)效時(shí)間為14h，時(shí)效后將薄板沿軋制方向剪成板狀試樣。拉伸實(shí)驗(yàn)在3—7l萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行，夾頭的移動(dòng)速度為2．4mm／min，采用計(jì)算機(jī)與記錄儀同時(shí)記錄試樣的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。實(shí)驗(yàn)后對3J21合金冷軋態(tài)組織進(jìn)行金相分析，采用x射線衍射儀和TEM對各時(shí)效狀態(tài)合金的組織與微觀結(jié)構(gòu)以及拉伸斷口附近的微觀組織進(jìn)行觀察和分析、采用SEM掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

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2結(jié)果與分析

2．1微觀組織

2．1．1金相組織分析

圖2為不同狀態(tài)3J2l合金的金相組織?？梢杂^察到3J21合金經(jīng)固溶處理冷軋后的組織為單一的、晶粒大小較為均勻的、面心立方結(jié)構(gòu)的γ(Co)固溶體。不同時(shí)效態(tài)的金相組織晶粒大小接近，平均粒徑約為3μm。

2．1．2??XRD分析

圖3為冷軋狀態(tài)和欠時(shí)效態(tài)3J21合金的x射線衍射圖。結(jié)果表明，3J21合金經(jīng)固溶處理冷軋后的組織為面心立方結(jié)構(gòu)的γ(Co)固溶體。欠時(shí)效態(tài)3J2l合金結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，仍然是面心立方結(jié)構(gòu)，而且在450℃沒有發(fā)現(xiàn)第二相。

3J21合金的回火強(qiáng)化主要是彌散的第二相金屬問化合物Fe3Mo和碳化物析出所致。但多數(shù)研究證實(shí)，只有當(dāng)回火溫度大于600℃時(shí)才可發(fā)現(xiàn)第二相。小角度x射線衍射結(jié)果證明，當(dāng)回火溫度為600—650℃時(shí)，只可看到1—10nm的不均勻區(qū)，當(dāng)回火溫度為700℃時(shí)才出現(xiàn)碳化物相。

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2．1．3TEM分析

圖4為冷軋狀態(tài)和欠時(shí)效態(tài)3J21合金的TEM照片。觀察顯示3J21合金經(jīng)固溶處理冷軋后位錯(cuò)密度增高，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，有大量的滑移痕跡。欠時(shí)效態(tài)3J21合金位錯(cuò)密度明顯降低，但仍可看到大量的滑移痕跡，沒有發(fā)現(xiàn)析出相。采用TEM觀察兩種狀態(tài)的組織和結(jié)構(gòu)，與X射線衍射結(jié)果一致。

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2．2拉伸性能

不同時(shí)效態(tài)3J2l合金的拉伸性能測試結(jié)果見表2。

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3J21合金不同時(shí)效狀態(tài)下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖5所示。從表2和圖5可見，峰時(shí)效態(tài)3J21合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最大，伸長率最低。欠時(shí)效態(tài)與過時(shí)效態(tài)的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相差不大，但欠時(shí)效態(tài)合金的伸長率比過時(shí)效態(tài)的高一些。這說明工程上多使用欠時(shí)效態(tài)3J21合金不但能夠保證該合金的強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)也能保證合金具有良好的塑性。

不同時(shí)效狀態(tài)對3J21合金拉伸性能的影響不大。這可能是在時(shí)效時(shí)，冷變形應(yīng)力消失與回復(fù)使得拉伸強(qiáng)度降低，而第二相粒子彌散析出又使拉伸強(qiáng)度提高兩方面共同作用的結(jié)果。不同時(shí)效狀態(tài)微觀組織對拉伸性能的影響還有待進(jìn)一步研究。

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2．3拉伸斷口分析

2．3．1宏觀分析

圖6為不同時(shí)效態(tài)3J2l合金拉伸斷口SEM照片。可觀察到各時(shí)效態(tài)斷口都是正斷，由中間粗糙不平的纖維區(qū)和剪切唇組成，纖維區(qū)又由無數(shù)纖維狀“小峰”組成。在靠近斷口區(qū)域，都有頸縮發(fā)生。

欠時(shí)效態(tài)拉伸斷口的纖維區(qū)最大，峰時(shí)效態(tài)次之，過時(shí)效態(tài)纖維區(qū)最小，三種斷口均未呈現(xiàn)光亮的金屬亮色，都是延性斷裂。

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可觀察到，三種斷口均呈現(xiàn)大量的韌窩，欠時(shí)效態(tài)的斷口中還呈現(xiàn)明顯的撕裂棱，且韌窩較大，部分韌窩的底部有孔洞。峰時(shí)效態(tài)的斷口韌窩較小、較淺，過時(shí)效態(tài)的斷El韌窩大小介于欠時(shí)效態(tài)和峰時(shí)效態(tài)韌窩尺寸之間，這些特征與欠時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)合金伸長率高，拉伸強(qiáng)度低，而峰時(shí)效態(tài)合金延伸率低，拉伸強(qiáng)度高相吻合。

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2．3．3拉伸斷口附近的組織分析

圖8為不同時(shí)效態(tài)3J21合金拉伸斷口附近組織的TEM照片?？梢钥吹礁鲿r(shí)效狀態(tài)下斷口附近顯微組織都有變化。欠時(shí)效態(tài)合金的滑移線最細(xì)，滑移線之間的距離最小，而峰時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)合金滑移線之間的距離較大，這與欠時(shí)效態(tài)合金的塑性好于峰時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)合金的塑性相吻合。三種時(shí)效態(tài)均未有析出相，所以它們的強(qiáng)度相近。

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3結(jié)論

(1)?冷軋狀態(tài)3J21合金經(jīng)過欠時(shí)效、峰時(shí)效和過時(shí)效處理后，晶粒大小相近，與時(shí)效狀態(tài)無關(guān)。冷軋狀態(tài)和欠時(shí)效態(tài)3J2l合金的結(jié)構(gòu)均為面心立方結(jié)構(gòu)，且欠時(shí)效態(tài)、峰時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)均沒有發(fā)現(xiàn)析出相。

(2)室溫條件下，峰時(shí)效態(tài)3J21合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均略高于欠時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)，但其伸長率略低于欠時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)。

(3)3J2l合金欠時(shí)效態(tài)、峰時(shí)效態(tài)和過時(shí)效態(tài)的拉伸斷口均為韌窩斷口。峰時(shí)效態(tài)合金的斷口韌窩小且淺，拉伸斷口附近組織中滑移線之間的距離最大，過時(shí)效態(tài)的次之，欠時(shí)效態(tài)合金滑移線之間的距離最小。