曼彻斯特大学Metall. Mater. Trans. A：温度对热等静压304L不锈钢断裂韧性的影响

【引言】

热等静压(HIP)工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段；热等静压可以直接粉末成型，粉末装入包套中，包套可以采用金属或陶瓷制作(低碳钢、Ni、Mo、玻璃等)，然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺。HIP工艺最重要的优点在于可生产复杂几何形状的零件，无需后续的加工/焊接程序。由于HIP工艺显著地提高了设计自由度，很多实验证明HIP生产的部件具有与同样等级锻造材料相同甚至更好的性能。然而，最近有学者表明， HIP和锻造奥氏体不锈钢之间的断裂行为并不相同，其中HIP 304L和316L的冲击韧性更低。

【成果简介】

近日，曼彻斯特大学的A. J. Cooper (通讯作者)等人在Metall. Mater. Trans. A上发布了一篇关于热等静压不锈钢的文章，题为“Effect of Temperature on the Fracture Toughness of Hot Isostatically Pressed 304L Stainless Steel”。作者在高温(300 °C)和低温(−140 °C)下对热等静压(HIP' d)和锻造304L奥氏体不锈钢进行了J-电阻多试样断裂韧性测试。研究结果表明，尽管两种材料断裂前都发生塑性变形，但由HIP工艺制备的不锈钢具有更低的断裂韧性。

【图片导读】

图1 三个温度下HIP和锻造304L的拉伸数据

-140℃记录的数据说明应变硬化行为的转变，这与在加载过程中应变引起的马氏体相变有关。其中在-196℃下进行夏比冲击实验的304L 试样，其V型缺口尖端观察到马氏体相变，强度随着温度的降低而增加。

图2 室温下HIP和锻造304L的J-电阻曲线

图3 -140℃下HIP和锻造304L的J-电阻曲线

图1,2和3分别展示了室温、-140℃和300℃的断裂韧性测试数据。HIP304L的裂纹萌生韧性均显著降低，较小的梯度显示对裂纹扩展的抵抗明显减少。

图4 300℃下HIP和锻造304L的J-电阻曲线

图2，图3和图4表明，由于裂纹尖端前面相对于试样尺寸的大片塑性区域的存在，所有室温和升温下试验所测得的J值在技术上是无效的。

图5 各个测试条件下试样的断裂表面

(a) 300℃下进行拉伸实验，HIP304L的断裂表面；

(b) 300℃下进行拉伸实验，锻造304L的断裂表面；

(c) 20℃下进行拉伸实验，HIP304L的断裂表面；

(d) 20℃下进行拉伸实验，锻造304L的断裂表面；

(e) -140℃下进行拉伸实验，HIP304L的断裂表面;

(f) -140℃下进行拉伸实验，锻造304L的断裂表面。

【小结】

这篇文章介绍了在高温(300 °C)和低温(−140 °C)下对热等静压(HIP' d)和锻造304L奥氏体不锈钢进行的J-电阻多试样断裂韧性测试及数据分析。夏比试样在高温试验时常常不完全断裂，并显示出韧带明显的塑性变形。 这一现象有助于解释为什么在较低的试验温度下，HIP304L的断裂韧性随着实验温度的降低而增加：屈服强度随温度降低而增加，因此塑性区的尺寸变得更局限于裂纹尖端，导致更多局部能量的吸收，最后形成局部的断裂。综合研究结果表明，在室温和低温测试中，随着温度的升高，韧性显著降低。

文献链接：Effect of Temperature on the Fracture Toughness of Hot Isostatically Pressed 304L Stainless Steel (Metall. Mater. Trans. A, 25 January, 2018 , DOI: 10.1007/s11661-018-4466-x）

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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