前言

Monel K-500合金是一種Ni-Cu基耐蝕合金，它保留了Monel合金優(yōu)異的耐蝕性能，同時(shí)通過加入少量AlTi等強(qiáng)化元素，沉淀析出Ni(Al、Ti)相，具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性和韌性。該合金因其較好的機(jī)械性能及優(yōu)異的耐蝕性能在冶金、石油化工以及軍事領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[2]。

1試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用Monel K-500合金采用真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄成φ290電極，隨后電渣重熔成φ400的鑄錠，鍛造成φ140的棒材，其化學(xué)成分見表1。熱壓縮試樣的尺寸為φ8×12mm,試驗(yàn)在Gleeble-3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。熱壓縮試驗(yàn)溫

度分別為800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200℃,以一定的速度加熱到預(yù)定溫度后保溫30 s,隨即進(jìn)行熱壓縮，變形量分別為30%、60%、80%,隨后空冷，測試合金的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，用金相顯微鏡觀察其變形后的組織特征。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

合金在不同溫度、相同變形量、恒定變形速率下，熱壓縮過程中的應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1可以看出，隨著溫度的升高，合金的變形抗力及其最大值在降低。應(yīng)變量較小時(shí)，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變量的增加迅速增加，當(dāng)超過一定應(yīng)變后，流變應(yīng)力趨于恒定或略有降低。

上述現(xiàn)象表明，隨著溫度的升高，合金的變形抗力降低，動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶容易發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致峰值應(yīng)變隨著溫度的升高而提前。變形過程中，在微應(yīng)變階段，應(yīng)力上升很快，說明該階段加工硬化占主導(dǎo)，合金中只發(fā)生了部分動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶，其硬化作用大大超過軟化作用；隨著變形量的增加，位錯(cuò)密度不斷提高，使動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶加快，軟化作用增強(qiáng)，加工硬化逐漸被動態(tài)回復(fù)軟化作用抵消，此時(shí)表現(xiàn)為曲線斜率逐漸減小；當(dāng)流變應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶軟化達(dá)到平衡，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，動態(tài)再結(jié)晶繼續(xù)發(fā)展，使流變應(yīng)力繼續(xù)下降，最后達(dá)到一穩(wěn)定值。

2?2變形溫度和變形量對組織的影響

在800℃進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)變形量達(dá)到80%時(shí)，沿原始晶粒邊界出現(xiàn)了細(xì)于10級的初始再結(jié)晶晶粒；在850℃進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)變形量達(dá)到60%時(shí)，在原始晶粒邊界也可見細(xì)于10級的再結(jié)晶晶粒特征，且隨著變形量增大，這種再結(jié)晶晶粒增多。

950～1200℃、變形量為30%、60%、80%時(shí)，合金的組織特征見圖2～4。由圖可以看出，在同一溫度下變形時(shí)，隨著變形量的增加，晶粒由原始的扁平狀慢慢回復(fù)為再結(jié)晶的等軸晶粒，變形量越大，就越易獲得均勻細(xì)小的等軸晶。當(dāng)變形量為30%時(shí)，合金在950℃變形，在原始晶界處的局部區(qū)域即開始出現(xiàn)部分動態(tài)再結(jié)晶形成的等軸晶組織，細(xì)小的再結(jié)晶晶粒度為10級，約占整個(gè)視場的15%左右，其余為畸變的原始晶粒；隨著變形溫度的升高，再結(jié)晶晶粒逐漸加大，所占整個(gè)視場的比例也逐步增加，至1100℃時(shí)，合金已完成了全部再結(jié)晶，晶粒度長大至7級；之后，隨著溫度的不斷升高，晶粒度也開始長大，當(dāng)變形溫度高于1100℃時(shí)，晶粒顯著長大；變形溫度為1200℃時(shí)，晶粒度已長大至5級。當(dāng)變形量為60%時(shí)，合金在950℃變形出現(xiàn)的再結(jié)晶晶粒增加至25%左右，晶粒度為10級；當(dāng)變形溫度升高至1000℃時(shí)，僅有個(gè)別的殘余晶粒存在，且晶粒度長大為8級；當(dāng)變形溫度為1050℃時(shí)，合金完成了全部再結(jié)晶，此時(shí)的晶粒度為7.5級。當(dāng)變形量為80%時(shí)，合金在950℃變形時(shí)得到部分再結(jié)晶的晶粒約占整個(gè)視場的60%左右；當(dāng)溫度為1000℃時(shí)，即可得到全部完成動態(tài)再結(jié)晶的等軸晶組織，晶粒度為8.5級；此后，隨著變形溫度的升高，晶粒長大，但長大的趨勢明顯比30%變形量時(shí)??；變形溫度為1200℃時(shí)，晶粒度為65級。

綜上所述，合金的初始再結(jié)晶溫度和完全再結(jié)晶溫度均隨變形量的增大而降低。30%、60%和80%變形量條件下，合金的初始再結(jié)晶溫度分別為950、850和800℃左右，完全再結(jié)晶溫度分別為1100、1050和1000℃左右。同時(shí)還可以看出，在相同溫度下，完全再結(jié)晶晶粒度隨變形量的增大而細(xì)化，尤其是當(dāng)變形溫度高于1100℃時(shí)，這種細(xì)化的趨勢更加明顯。

與一般合金化程度較高的沉淀強(qiáng)化型Ni基合金相比，該合金的初始再結(jié)晶溫度較低。80%變形量時(shí)，在800℃左右的低溫度就出現(xiàn)了15%左右的再結(jié)晶組織，這可能是該合金Cu含量較高的原因。此外，變形量越大，合金中畸變能也越大，再結(jié)晶形核核心越多，因而再結(jié)晶晶粒越細(xì)。

從變形后的合金組織形貌可看出，變形過程呈現(xiàn)出動態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等特征。在低溫動態(tài)回復(fù)階段，沒有足夠的能量使晶粒發(fā)生再結(jié)晶，由于未發(fā)生大角度晶界的遷移，因而晶粒的形狀和大小與形變的相同，仍保持著纖維狀或扁平狀。而在再結(jié)晶階段，首先是畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒的核心，進(jìn)而逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到形變組織完全改組為新的、無畸變的細(xì)等軸晶粒為止。最后，在晶界表面能的驅(qū)動下，新晶粒互相吞食而長大，從而得到一個(gè)在該條件下較為穩(wěn)定的尺寸。

2.3鍛造工藝及應(yīng)用效果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，制訂了該合金的鍛造工藝。將變形溫度和末火變形量控制在合適的范圍內(nèi)，在鍛造過程中采用合適的表面保溫措施，以防止表面溫度過低，所鍛造的棒材晶粒度均勻性得到明顯改善。圖5為φ140鍛棒R/2處的組織特征。

3結(jié)論

(1) MonelK-500合金的變形行為具有一定的溫度敏感性，流變應(yīng)力隨著變形溫度的降低而迅速增大。

(2) 變形溫度越高，變形量越大，合金的動態(tài)再結(jié)晶傾向就越大。當(dāng)變形量為30%時(shí),變形溫度需達(dá)到1100℃,合金才能形成完全再結(jié)晶的組織；當(dāng)變形量為60%時(shí)，完全再結(jié)晶的溫度下降至1050℃左右；而當(dāng)變形量為80%時(shí)，溫度進(jìn)一步下降至1000℃左右。

(3) 在所研究的變形量范圍內(nèi)，變形量越大，完全動態(tài)再結(jié)晶晶粒越細(xì)，這一現(xiàn)象在1150～1200℃的高溫區(qū)尤其明顯。

(4)合理控制變形工藝參數(shù)，特別是變形溫度和變形量，獲取了完全動態(tài)再結(jié)晶、且晶粒均勻的該合金鍛造棒材。