成分与热处理对4J36合金力学和物理性能的影响

　含镍36%的Fe-Ni合金具有很低的膨胀系数，因其尺寸几乎不随温度变化而被称为因瓦合金。因瓦合金的强度和硬度不高，抗拉强度一般＜500MPa。为了提高因瓦合金的强度，已开发出了Fe-Ni-C、Fe-Ni-Mn-C、Fe-Ni-Co等因瓦合金体系。元素添加量增加虽能提高机体合金的强度，但合金的膨胀性能也随之增大。因此，通过元素调整获得因瓦合金强度的同时，也要兼顾低膨胀系数这一指标。此外，该类合金只有在热处理后才能发挥其性能优势。

　　与因瓦合金相对应的国内牌号为4J36合金，含35.0%～37.0%Ni，余为Fe。4J36合金具有热膨胀系数小、良好的尺寸稳定性和容易消磁等特点，因而在航空航天、军事武器、微波通讯、彩电荫罩以及石油运输容器等行业中得到了广泛应用，成为21世纪倍受人们关注的合金之一，并在应用中得到了不断的发展。为此，针对国内某特殊行业用4J36合金的成分及性能要求，通过研究成分与热处理过程中退火温度的选择对合金性能的影响，为特殊工况环境用4J36合金成分及热处理工艺的优化提供依据。

　　表1  试验合金的化学成分（质量分数，%） 

　　试验合金采用10kg真空感应炉熔炼，通过添加具有梯度含量的C和Mn冶炼三炉合金，锭重5kg，成分如表1所示。将得到的铸锭热锻至Φ15mm的棒料，在锻棒上取样制成拉伸试样，在MTS万能试验机上测试合金室温拉伸性能。将锻棒在850℃条件下进行退火软化处理后机加工成Φ4mm×25mm膨胀测试试样和Φ4.5mm×150mm弹性模量测试试样。热膨胀系数测试在DP-49光学三角差示膨胀仪上进行，弹性模量测试在DT-1弹性综合测量仪上进行。将优选成分的合金锻棒在箱式电阻炉中进行退火热处理，退火温度为820、880、940和1000℃，保温时间为1h，空冷。在经不同热处理后的合金棒料上沿纵向截取金相试样，用OLYMPUS GX71光学显微镜对试样进行组织观察。测定试样显微硬度选用HXS-1000A型数显显微维氏硬度计。试验结果如下：

　　（1）4J36合金中添加C、Si、Mn总量的增加可使合金的弹性模量、强度和硬度增加，但会使线膨胀系数（20～100℃）显著增大，因此通过增加C、Si、Mn含量来获得高弹性模量、高强度和硬度的同时，为满足线膨胀系数的指标要求，应将合金中∑（C+Si+Mn）控制在0.65%以下。

　　（2）4J36合金锻态及退火处理后的组织均为单一的等轴晶奥氏体，退火处理后的组织均匀性得到改善。随退火温度升高，奥氏体晶粒逐渐长大并发生了明显粗化，合金拉伸断口呈现典型的韧性断裂形貌。

　　（3）随着退火温度的升高，试验合金的抗拉强度和硬度明显下降，伸长率先显著上升后略有降低。合金在820～880℃范围进行退火时经历了回复及完全再结晶，组织均匀性的明显改善，伸长率显著提高。通过对比分析可知，4J36合金在820～850℃范围内进行退火处理，具有最佳的综合力学性能。