赵霞等：铁/镍基奥氏体多晶合金晶界弯曲研究进展 1327 表5标准热处理和等温热处理对品界弯曲的影响 Table 5 Effects of standard and isothermal heat treatments on the serration of grain boundary Alloy Heat treatment type Heat treatment regime Grain boundary type Reference Standard 1180℃×2h+AC.1150℃×4h+AC.800℃×16htAC Flat GH37 Isothermal 1180℃x2 rin900℃X4htAC Serrated Standard 1080℃×8h+AC.700℃×10h+AC Flat GH33 Isothermal 1080℃×800Ex4htAC Serrated [18] Standard 1140℃×80min+WQ.670℃×12h+780x10h+AC Flat GH36 Isothermal 1180C×80 minin00C×16htAC Serrated Standard 1140℃×80 min+AC.700℃×16h+AC Flat 3m69 Isothermal 1180 x200 4h+AC Serrated Standard 1220℃×4h+AC.1050℃×4h+AC.950℃×2h+AC Flat GH220 [23-25] Isothermal 1220℃x4 hr1070℃×2.5h+AC,950℃x2htAC Serrated 1400 (a) (b) 5 min 1200 1000 5 C-min-i 10℃min- 800 600 Water quenching 400 10m 0 46 81012141618 lime/min 1400 (c) (d) 3 min 1200 5℃-min- 5%compressive strain hold 0℃-min1 800 600 Water quenchin 400 10μm 0246810121416 18 Time/min 图2Ni-20Cr合金热处理示意图与对应的品界SEM形貌.(a)控冷热处理示意图：(b)控冷热处理的品界形貌：(c)控冷热处理同时进行5%应变 压缩示意图：()控冷热处理同时进行5%应变压缩的品界形貌网 Fig.2 Heat treatment regime and grain boundary SEM morphology of Ni-20Cr alloy:(a)schematic of controlled cooling heat treatment,(b)grain boundary morphology of the sample controlled cooled;(c)schematic of controlled cooling with a 5%compressive strain hold at the same time;(d)grain boundary morphology of the sample controlled cooled and 5%compressed 化物溶解温度高于γ相和只有碳化物析出的合金 2.1碳化物诱发弯曲晶界 中，而γ'相诱发弯曲晶界常发生在高合金化、高 2.1.1弯曲晶界与碳化物析出特征 Y含量和y'相溶解温度高于碳化物的镍基合金中 弯曲晶界形成过程中，会伴随碳化物在晶界 一般碳化物诱发弯曲晶界的冷速通常比γ诱发弯 析出，根据合金成分的不同，将常见的分布在弯曲 曲晶界的要快82刃 晶界上的碳化物分为M23C6型、MC3型和MC型
化物溶解温度高于 γ′相和只有碳化物析出的合金 中 ，而 γ ′相诱发弯曲晶界常发生在高合金化、高 γ′含量和 γ′相溶解温度高于碳化物的镍基合金中. 一般碳化物诱发弯曲晶界的冷速通常比 γ′诱发弯 曲晶界的要快[18,27] . 2.1 碳化物诱发弯曲晶界 2.1.1 弯曲晶界与碳化物析出特征 弯曲晶界形成过程中，会伴随碳化物在晶界 析出，根据合金成分的不同，将常见的分布在弯曲 晶界上的碳化物分为 M23C6 型、M7C3 型和 M6C 型 (b) (d) 10 μm 10 μm 1400 (a) 1200 1000 Temperature/ ℃ 800 600 400 Time/min Water quenching 5 min 10 ℃·min−1 5 ℃·min−1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 (c) Water quenching 5% compressive strain hold 5 min 10 ℃·min−1 5 ℃·min−1 1400 1200 1000 Temperature/ ℃ 800 600 400 Time/min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 图 2 Ni–20Cr 合金热处理示意图与对应的晶界 SEM 形貌. （a）控冷热处理示意图；（b）控冷热处理的晶界形貌；（c）控冷热处理同时进行 5% 应变 压缩示意图；（d）控冷热处理同时进行 5% 应变压缩的晶界形貌[19] Fig.2 Heat treatment regime and grain boundary SEM morphology of Ni –20Cr alloy: (a) schematic of controlled cooling heat treatment; (b) grain boundary morphology of the sample controlled cooled; (c) schematic of controlled cooling with a 5% compressive strain hold at the same time; (d) grain boundary morphology of the sample controlled cooled and 5% compressed [19] 表 5 标准热处理和等温热处理对晶界弯曲的影响 Table 5 Effects of standard and isothermal heat treatments on the serration of grain boundary Alloy Heat treatment type Heat treatment regime Grain boundary type Reference GH37 Standard 1180 ℃×2 h+AC，1150 ℃×4 h+AC，800 ℃×16 h+AC Flat [18] Isothermal Aircooling 1180 ℃×2 h → 900 ℃×4 h+AC Serrated GH33 Standard 1080 ℃×8 h+AC，700 ℃×10 h+AC Flat Isothermal Aircooling 1080 ℃×8 h → 900 ℃×4 h+AC Serrated GH36 Standard 1140 ℃×80 min+WQ，670 ℃×12 h+780×10 h+AC Flat Isothermal Aircooling 1180 ℃×80 min → 800 ℃×16 h+AC Serrated Эи69 Standard 1140 ℃×80 min+AC，700 ℃×16 h+AC Flat Isothermal Aircooling 1180 ℃×2 h → 900 ℃×4 h+AC Serrated GH220 Standard 1220 ℃×4 h+AC，1050 ℃×4 h+AC，950 ℃×2 h+AC Flat [23-25] Isothermal Aircoolin 1220 ℃×4 h → 1070 ℃×2.5 h+AC，950 ℃×2 h+AC Serrated 赵 霞等： 铁/镍基奥氏体多晶合金晶界弯曲研究进展 · 1327 ·
·1328 工程科学学报，第43卷，第10期 碳化物.一般来说，平直晶界上的碳化物一般呈颗 大角度晶界上的碳化物数量少，距离远，所以弯曲 粒状或三角形，沿品界连续或半连续分布，这些碳 晶界未能形成或弯曲现象不明显.Lim等2网的研 化物析出数量多，尺寸小、约为几百纳米.而在弯 究显示，在690合金中，细小的颗粒状M23C6型碳 曲晶界中，碳化物呈不连续分布，形貌主要呈长棒 化物密集地分布在平直晶界上，而沿弯曲晶界析 状、片状、小平面状或沿弯折晶界拐点长大的弯 出粗大的平面状碳化物，如图4所示.Hong和 曲状等，碳化物析出量较平直晶界少，尺寸较大， Nam在研究AISI316不锈钢中的弯曲晶界现象 一般为几微米，甚至是十几微米.例如，在600合 时发现，弯曲晶界上的M23C6型碳化物密度低，呈小 金弯曲晶界上的碳化物为MC3型碳化物，形貌为 平面状，而平直晶界上的M2C6型碳化物密度高， 长棒状和小平面状，平均长度约为7m,沿弯曲晶 形貌近似三角形.徐志超等2指出，10Cr-15Co-Ni 界不连续分布，而平直晶界上的碳化物为颗粒状， 合金弯曲晶界上伴随着棒状MC型碳化物析出， 平均尺寸约为600nm,析出数量较弯曲晶界明显 且碳化物形核数量少，尺寸大.需要说明的是，葛 增多，如图3所示.Tang等2认为，600合金在 占英等s1和叶锐曾等27研究发现，含Nb的高合 较低温度固溶并缓冷无法获得弯曲晶界，是因为 金化GHI51合金晶界分布着大量NbC,NbC的形 当低温固溶时晶内碳化物未完全溶解，使晶界可 成显著降低了M,C的析出量，而NbC颗粒对晶界 用C原子减少，致使随后缓冷过程碳化物析出数 迁移的钉扎作用，使控冷和等温时效处理都很难 量显著降低，且碳化物优先析出在三叉晶界处，而 形成弯曲晶界 1200 1140℃(Holding) (a) (c) 0.25℃-min(Cooling) 1000 Heating 900℃ 800 Water quenching 600 400 200 10μm U 200 400,600 80010001200 Time/min 1200 1000 14010080s0f20℃90S0 (b) ntergranular carbide (d) 930 C900 800 600 400 200 Intragranular carbide 10 um 0 0 200 400 600 80010001200 Time/min 图3600合金热处理制度示意图与对应的品界SEM形貌.(a)缓冷热处理制度：(b)分步时效热处理制度：（©）缓冷热处理后的弯曲品界：(d)等温 时效热处理后的平直品界 Fig.3 Heat treatment regime and grain boundary SEM morphology of Alloy 600:(a)schematic of slow cooling heat treatment;(b)schematic of step aging heat-treatment,(c)grain boundary morphology of the sample slowly cooled,(d)grain boundary morphology of the sample step aged 关于弯曲晶界与碳化物的形成顺序，不同学 然MC型碳化物可能首先在晶界处形核，但碳化 者持不同观点.徐志超等2和叶锐曾等27叨在观察 物长大过程几乎与晶界迁移同步发生.Kim等s I0Cr-15Co-Ni合金等温处理过程平直晶界向弯曲 以及Hong和NamP四则认为，合金控冷或等温时效 晶界转变时指出，一旦M,C型碳化物在晶界析出， 过程先形成弯曲晶界，后析出碳化物，在研究AISI 该处晶界就随之迁移并形成弯曲晶界，并认为虽 316不锈钢等温时效处理时发现，弯曲晶界优先
碳化物. 一般来说，平直晶界上的碳化物一般呈颗 粒状或三角形，沿晶界连续或半连续分布，这些碳 化物析出数量多，尺寸小、约为几百纳米. 而在弯 曲晶界中，碳化物呈不连续分布，形貌主要呈长棒 状、片状、小平面状或沿弯折晶界拐点长大的弯 曲状等，碳化物析出量较平直晶界少，尺寸较大， 一般为几微米，甚至是十几微米. 例如，在 600 合 金弯曲晶界上的碳化物为 M7C3 型碳化物，形貌为 长棒状和小平面状，平均长度约为 7 μm，沿弯曲晶 界不连续分布，而平直晶界上的碳化物为颗粒状， 平均尺寸约为 600 nm，析出数量较弯曲晶界明显 增多，如图 3 所示[12] . Tang 等[12] 认为，600 合金在 较低温度固溶并缓冷无法获得弯曲晶界，是因为 当低温固溶时晶内碳化物未完全溶解，使晶界可 用 C 原子减少，致使随后缓冷过程碳化物析出数 量显著降低，且碳化物优先析出在三叉晶界处，而 大角度晶界上的碳化物数量少，距离远，所以弯曲 晶界未能形成或弯曲现象不明显. Lim 等[28] 的研 究显示，在 690 合金中，细小的颗粒状 M23C6 型碳 化物密集地分布在平直晶界上，而沿弯曲晶界析 出粗大的平面状碳化物 ，如图 4 所示. Hong 和 Nam[21] 在研究 AISI 316 不锈钢中的弯曲晶界现象 时发现，弯曲晶界上的 M23C6 型碳化物密度低，呈小 平面状，而平直晶界上的 M23C6 型碳化物密度高， 形貌近似三角形. 徐志超等[25] 指出，10Cr−15Co−Ni 合金弯曲晶界上伴随着棒状 M6C 型碳化物析出， 且碳化物形核数量少，尺寸大. 需要说明的是，葛 占英等[18] 和叶锐曾等[27] 研究发现，含 Nb 的高合 金化 GH151 合金晶界分布着大量 NbC，NbC 的形 成显著降低了 M6C 的析出量，而 NbC 颗粒对晶界 迁移的钉扎作用，使控冷和等温时效处理都很难 形成弯曲晶界. 1200 1000 800 600 400 200 0 Temperature/ ℃ 0 200 400 600 Time/min 800 1000 1200 1200 1000 800 600 400 200 0 Temperature/ ℃ 0 200 400 600 Time/min 800 1000 1200 1140 ℃ (Holding) 1140 ℃1110 ℃1080 ℃ 930 ℃900 ℃ 960 ℃ 1020 ℃990 ℃ 1050 ℃ 900 ℃ 0.25 ℃·min−1 (Cooling) Heating Water quenching (a) (b) (c) (d) 10 μm 10 μm 2 μm Intergranular carbide Intragranular carbide 图 3 600 合金热处理制度示意图与对应的晶界 SEM 形貌. （a）缓冷热处理制度；（b）分步时效热处理制度；（c）缓冷热处理后的弯曲晶界；（d）等温 时效热处理后的平直晶界[12] Fig.3 Heat treatment regime and grain boundary SEM morphology of Alloy 600: (a) schematic of slow cooling heat treatment; (b) schematic of step aging heat-treatment; (c) grain boundary morphology of the sample slowly cooled; (d) grain boundary morphology of the sample step aged[12] 关于弯曲晶界与碳化物的形成顺序，不同学 者持不同观点. 徐志超等[25] 和叶锐曾等[27] 在观察 10Cr−15Co−Ni 合金等温处理过程平直晶界向弯曲 晶界转变时指出，一旦 M6C 型碳化物在晶界析出， 该处晶界就随之迁移并形成弯曲晶界，并认为虽 然 M6C 型碳化物可能首先在晶界处形核，但碳化 物长大过程几乎与晶界迁移同步发生. Kim 等[16] 以及 Hong 和 Nam[21] 则认为，合金控冷或等温时效 过程先形成弯曲晶界，后析出碳化物，在研究 AISI 316 不锈钢等温时效处理时发现，弯曲晶界优先 · 1328 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期