Incoloy 825/API X65 复合板热轧工艺对显微组织与力学性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of hot rolling conditions on the microstructure and mechanical properties of Incoloy 825/API X65 clad plates

　　

摘要
本研究通过热轧制备了两种Incoloy 825/API X65复合板：一种终轧温度为1050 °C，高于API X65钢的非再结晶温度(T_nr ≈970 °C)（FT1050）；另一种终轧温度为825 °C，低于T_nr（FT825）。与FT1050相比，FT825在API X65钢中表现出更厚的脱碳层和更细的晶粒，在Incoloy 825中表现为更大的γ晶粒和更厚的渗碳层。两种板材均显示出约7 μm厚的含氧化物的界面扩散层，其中Cr因扩散率高于Ni而从Incoloy 825向API X65钢扩散得更远，尽管Ni的浓度梯度更陡。FT825板表现出优异的剪切强度和位移，断裂沿界面层和脱碳层传播，而FT1050板主要沿界面层断裂。这一断裂行为差异归因于界面氧化物的不同：FT1050板界面氧化物较大且呈长条状，而FT825板界面氧化物更细且数量更多。界面氧化物的细化可能增强了界面强度，并促进界面层与脱碳层之间的竞争性裂纹扩展，从而提高剪切性能。

论文解读
本研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》，旨在探讨热轧条件对Incoloy 825/API X65耐腐蚀合金(CRA)复合板显微组织与力学性能的影响。CRA复合板将耐腐蚀合金与碳钢结合，广泛应用于压力容器、油管、换热器等领域，其力学性能和耐腐蚀性能受热轧及界面扩散行为影响显著。目前CRA复合板在热轧过程中存在的问题包括：碳钢近界面形成脱碳层(C-decarburized layer)和CRA形成渗碳层(C-carburized layer)，渗碳层中的Cr碳化物可能引发晶间腐蚀并降低力学性能；界面氧化物及金属元素扩散的不均匀性也会影响剪切性能。特别是热机械控制工艺(TMCP)对CRA复合板的力学增强效应尚缺乏明确微观机理研究，现有文献多关注高于非再结晶温度(T_nr)的轧制，而低于T_nr的热轧及其对界面微观结构和剪切强度的影响仍不清楚。

研究人员制备了两种Incoloy 825/API X65复合板：FT1050板在高于T_nr温度下热轧，FT825板采用两段热轧：初轧高于T_nr，再轧介于T_nr和奥氏体起始温度(Ar3)之间，并结合加速冷却和水冷处理。通过扫描电子显微镜(FE-SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(FE-TEM)及场发射电子探针微区分析(FE-EPMA)观察显微组织，并结合剪切试验(ASTM A265)和拉伸试验(ASTM E8M-04)评估力学性能。

**研究结果**
**3.1 显微组织**
API X65钢近界面表现为多边形铁素体(PF)、颗粒贝氏体(GB)及珠光体(P)，部分FT1050板还存在上贝氏体(UB)。FT825板由于低温再轧及加速冷却，形成细晶结构，脱碳层厚度为58 ± 14 μm，高于FT1050的28 ± 2 μm。Incoloy 825中，FT825板γ晶粒更粗(～89 μm vs. ～48 μm)，渗碳层更厚(200 ± 5 μm vs. 115 ± 8 μm)，粒界碳化物(M₂₃C₆)与TiC在晶粒内和晶界沉淀，FT825板的GCL(晶界渗碳层)厚度显著增加。界面层厚度约7 μm，含Mn-Cr-Ti复合氧化物。Cr的扩散距离普遍长于Ni，FT825板Cr、Ni、Fe扩散距离均略大于FT1050板。

**3.2 力学性能**
剪切试验显示FT825板剪切强度为404 ± 7 MPa，位移1.88 ± 0.04 mm，高于FT1050板的323 ± 14 MPa和1.37 ± 0.07 mm。拉伸试验显示FT825板API X65钢屈服强度(YS)略低，延伸率(TE)明显提高。剪切断口分析显示FT1050板断裂主要沿界面层发生，FT825板断裂沿界面层与脱碳层同时发生，界面氧化物更细小且分布均匀，可能增强界面强度并促进竞争性断裂，从而提升剪切性能。

**讨论与结论**
研究显示热轧温度及TMCP工艺对CRA复合板微观结构与力学性能具有显著影响：低于T_nr的热轧及受控轧制促进API X65钢细晶化及脱碳层加厚，同时Incoloy 825晶粒粗化并增加渗碳层厚度；界面氧化物尺寸减小、数量增多，有助于提高界面结合力并优化剪切性能。Cr在界面扩散显著优于Ni，部分归因于Cr在γ-Fe中的高扩散率和应力辅助扩散。FT825板整体表现出更高剪切强度和延性，说明通过TMCP调整轧制温度与冷却路径可有效调控CRA复合板微结构，实现力学性能优化。