曼徹斯特大學Metall. Mater. Trans. A：溫度對熱等靜壓304L不銹鋼斷裂韌性的影響

【引言】

熱等靜壓(HIP)工藝是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結和致密化。熱等靜壓是高性能材料生產和新材料開發不可或缺的手段；熱等靜壓可以直接粉末成型，粉末裝入包套中，包套可以采用金屬或陶瓷制作(低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等)，然后使用氮氣、氬氣作加壓介質，使粉末直接加熱加壓燒結成型的粉末冶金工藝。HIP工藝最重要的優點在于可生產復雜幾何形狀的零件，無需后續的加工/焊接程序。由于HIP工藝顯著地提高了設計自由度，很多實驗證明HIP生產的部件具有與同樣等級鍛造材料相同甚至更好的性能。然而，最近有學者表明， HIP和鍛造奧氏體不銹鋼之間的斷裂行為并不相同，其中HIP 304L和316L的沖擊韌性更低。

【成果簡介】

近日，曼徹斯特大學的A. J. Cooper (通訊作者)等人在Metall. Mater. Trans. A上發布了一篇關于熱等靜壓不銹鋼的文章，題為“Effect of Temperature on the Fracture Toughness of Hot Isostatically Pressed 304L Stainless Steel”。作者在高溫(300 °C)和低溫(?140 °C)下對熱等靜壓(HIP' d)和鍛造304L奧氏體不銹鋼進行了J-電阻多試樣斷裂韌性測試。研究結果表明，盡管兩種材料斷裂前都發生塑性變形，但由HIP工藝制備的不銹鋼具有更低的斷裂韌性。

【圖片導讀】

圖1 三個溫度下HIP和鍛造304L的拉伸數據

-140℃記錄的數據說明應變硬化行為的轉變，這與在加載過程中應變引起的馬氏體相變有關。其中在-196℃下進行夏比沖擊實驗的304L 試樣，其V型缺口尖端觀察到馬氏體相變，強度隨著溫度的降低而增加。

圖2 室溫下HIP和鍛造304L的J-電阻曲線

圖3 -140℃下HIP和鍛造304L的J-電阻曲線

圖1,2和3分別展示了室溫、-140℃和300℃的斷裂韌性測試數據。HIP304L的裂紋萌生韌性均顯著降低，較小的梯度顯示對裂紋擴展的抵抗明顯減少。

圖4 300℃下HIP和鍛造304L的J-電阻曲線

圖2，圖3和圖4表明，由于裂紋尖端前面相對于試樣尺寸的大片塑性區域的存在，所有室溫和升溫下試驗所測得的J值在技術上是無效的。

圖5 各個測試條件下試樣的斷裂表面

(a) 300℃下進行拉伸實驗，HIP304L的斷裂表面；

(b) 300℃下進行拉伸實驗，鍛造304L的斷裂表面；

(c) 20℃下進行拉伸實驗，HIP304L的斷裂表面；

(d) 20℃下進行拉伸實驗，鍛造304L的斷裂表面；

(e) -140℃下進行拉伸實驗，HIP304L的斷裂表面;

(f) -140℃下進行拉伸實驗，鍛造304L的斷裂表面。

【小結】

這篇文章介紹了在高溫(300 °C)和低溫(?140 °C)下對熱等靜壓(HIP' d)和鍛造304L奧氏體不銹鋼進行的J-電阻多試樣斷裂韌性測試及數據分析。夏比試樣在高溫試驗時常常不完全斷裂，并顯示出韌帶明顯的塑性變形。 這一現象有助于解釋為什么在較低的試驗溫度下，HIP304L的斷裂韌性隨著實驗溫度的降低而增加：屈服強度隨溫度降低而增加，因此塑性區的尺寸變得更局限于裂紋尖端，導致更多局部能量的吸收，最后形成局部的斷裂。綜合研究結果表明，在室溫和低溫測試中，隨著溫度的升高，韌性顯著降低。

文獻鏈接：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）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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