304奧氏體不銹鋼的高溫拉伸行為和形變組織研究

譚 威，王宇順

（三一電氣有限責(zé)任公司，北京 102202）

304奧氏體不銹鋼的高溫拉伸行為和形變組織研究

譚 威，王宇順

（三一電氣有限責(zé)任公司，北京 102202）

利用金相顯微鏡、SEM、拉伸試驗(yàn)機(jī)研究鑄態(tài)304奧氏體不銹鋼在高溫下的力學(xué)性能和變形組織特征。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，304不銹鋼的強(qiáng)度在300～950℃迅速下降，950～1250℃下降變緩；延伸率在950℃時(shí)達(dá)到最大，為86.28%；斷面收縮率在950℃時(shí)最大，為94.45%。同時(shí)對304不銹鋼高溫拉伸試樣斷口進(jìn)行了宏觀和微觀形貌觀察，并探討了斷口形貌的成因及影響材料塑、韌性的因素。

304不銹鋼；高溫力學(xué)性能；奧氏體不銹鋼

不銹鋼具有良好的耐蝕性、優(yōu)良的抗氧化性和較高的力學(xué)性能，在航空、化工、能源等方面都得到廣泛的應(yīng)用。近年來隨著研究手段的進(jìn)步，在不銹鋼高溫相變、高溫組織預(yù)測和高溫塑性等方面的研究，為新型不銹鋼的研發(fā)及不銹鋼在生產(chǎn)中消除熱裂紋等缺陷提供了理論依據(jù)[1]。

本文通過高溫拉伸試驗(yàn)，測定不同溫度下鑄態(tài)304奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率，并根據(jù)試樣斷口的組織形貌對斷裂機(jī)理進(jìn)行探討，為鑄態(tài)304不銹鋼熱加工及高溫力學(xué)性能提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為鑄態(tài)304奧氏體不銹鋼，其主要成分見表1。在距離連鑄坯表面1/4處晶粒的大小適中，有利于對鑄坯組織與力學(xué)性能的研究，本次試驗(yàn)試樣均從鑄坯厚度方向1/4處取樣。試樣規(guī)格為 ?10mm×120mm×M18，按照國標(biāo) GB/T 4338－2006進(jìn)行機(jī)加工和高溫拉伸試驗(yàn)，如圖1所示。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分(wt%)

試驗(yàn)使用島津AG-10TA程控萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對304不銹鋼進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，測定不同溫度下的抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率。試驗(yàn)結(jié)束后立即取出拉伸試樣，在15﹪的鹽水中快速冷卻，通過JSM-6700F掃描電子顯微鏡對試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，然后將拉伸試樣斷口磨平、拋光，用王水溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱塑性曲線

304不銹鋼熱塑性曲線見圖2。其中Rm代表抗拉強(qiáng)度，A代表延伸率，Z代表斷面收縮率。由抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化曲線可知,變形溫度在300～950℃范圍內(nèi),抗拉強(qiáng)度呈線性迅速降低,在300℃時(shí)為392.12MPa，而950℃時(shí)只有30.18MPa；變形溫度在950～1250℃范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度下降趨勢變得平緩,在1000℃時(shí)為 24.48MPa，1250℃時(shí)為 8.47MPa。

由延伸率隨溫度變化的曲線可知，試樣在300～600℃延伸率的變化不是很大，在500℃時(shí)延伸率僅為22.4%。在600～950℃，隨溫度的升高延伸率迅速上升，950℃時(shí)延伸率達(dá)到最大值86.28%。在950～1050℃范圍內(nèi)延伸率又呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,在1050℃拉伸時(shí),試樣的延伸率只有40.16%。在1050～1250℃范圍內(nèi)延伸率又呈現(xiàn)上升趨勢，在1050℃拉伸時(shí)，試樣的延伸率只有67.24%。

由304不銹鋼斷面收縮率隨溫度變化的曲線可知，試樣在300～600℃范圍內(nèi)斷面收縮率變化不大，300℃時(shí)斷面收縮率為53.36%。600～950℃范圍內(nèi)斷面收縮率迅速升高，950℃時(shí)斷面收縮率達(dá)到最大值94.45%。加熱溫度在950～1250℃范圍內(nèi)試樣斷面收縮率變化不大。

碳、氮等間隙原子偏聚于拉應(yīng)力區(qū)所形成的柯氏氣團(tuán)對位錯(cuò)的釘扎屬于短程力，因溫度升高而引起的原子熱振動(dòng)有助于克服這種阻力，所以隨著溫度升高，材料的強(qiáng)度會逐漸降低[2]。另外大量研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷面收縮率大于60%時(shí)，鑄坯不出現(xiàn)裂紋；當(dāng)斷面收縮率小于60%時(shí)，鑄坯裂紋敏感性增高[3、4]。故一般以收縮率等于60%作為臨界值來劃分高塑性區(qū)和低塑性區(qū)的溫度范圍，可見304不銹鋼在高溫下一直具有較好的塑性。結(jié)合304不銹鋼的斷面收縮率，得到900～1000℃范圍內(nèi)為最佳塑性區(qū)。

2.2 斷口分析

通過JSM-6700F掃描電子顯微鏡對拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察。由圖3可以看到，300℃時(shí)宏觀斷口較平坦；微觀斷口有大量韌窩，韌窩尺寸較小，周圍有二次撕裂特征。800℃宏觀斷口心部和邊部均有尺寸較大的孔洞，主要為塑性變形后期拉拔所致；微觀斷口的韌窩尺寸較300℃有所增大，且沿滑移方向被拉長。1050℃宏觀斷口中微孔由心部聚集向外擴(kuò)展，纖維區(qū)約占整個(gè)斷面的2/3；微觀斷口為拉長的網(wǎng)狀韌窩，周圍有韌性撕裂特征。1250℃為杯錐狀斷口，主要由纖維區(qū)和剪切唇區(qū)組成，纖維區(qū)約占整個(gè)斷面的1/5，裂紋在試樣心部以微孔聚合的形式萌生，隨后向周圍擴(kuò)展，達(dá)到平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)發(fā)生剪切斷裂后形成剪切唇。

當(dāng)裂紋萌生時(shí)，靠近裂紋前端處，由于應(yīng)力狀態(tài)基本是三向的，故裂紋萌生機(jī)制起作用后，會形成類似于韌窩的空穴。由于奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)有許多滑移系統(tǒng)，為應(yīng)力集中提供了充分釋放應(yīng)力的機(jī)會。由于出現(xiàn)次級滑移，位錯(cuò)塞積列被松弛，因而解理裂紋不可能在塑性區(qū)萌生,韌窩的大小和分布與基體中析出相以及夾雜物的大小、分布有密切關(guān)系。

2.3 金相組織分析

拉伸試樣斷口磨平、拋光，用王水溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。圖4（a）為304不銹鋼鑄態(tài)組織，其中白色的基體為奧氏體，其上分布的黑色條狀和網(wǎng)狀的δ鐵素體。比較圖4（b）、（c），發(fā)現(xiàn) 800～900℃溫度區(qū)間，網(wǎng)狀的 δ 鐵素體明顯減少。如圖(d)所示，1050℃時(shí)網(wǎng)狀的δ鐵素體已經(jīng)消失，δ鐵素體主要呈條狀，尺寸也明顯變小。從圖(e)、(f)可見1150℃和1250℃時(shí)δ鐵素體已變?yōu)樾☆w粒狀，較均勻的分布在奧氏體基體上。

當(dāng)奧氏體不銹鋼中存在δ鐵素體時(shí)，δ鐵素體含量的多少對鋼的熱塑性有著相當(dāng)重要的影響，鐵素體的存在降低了奧氏體不銹鋼的高溫塑性，主要原因?yàn)椋蔫F素體是一種高溫體心立方結(jié)構(gòu)，而奧氏體基體是高溫面心立方結(jié)構(gòu)。在高溫拉伸時(shí)，這兩種結(jié)構(gòu)在外力的作用下，晶格會產(chǎn)生嚴(yán)重的位錯(cuò)，而且由于鐵素體的可滑移系比奧氏體多，奧氏體相比鐵素體相變形更均勻[5、6]。所以圖4中δ鐵素體隨溫度的升高，網(wǎng)狀組織逐漸消失并發(fā)生球化，也是使其塑性提高的重要原因之一。

3 結(jié)論

（1）300～950℃范圍內(nèi)，鑄態(tài)304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度呈線性迅速降低，在950～1250℃范圍內(nèi)，下降趨勢變得平緩。

（2）鑄態(tài)304不銹鋼的延伸率，在950℃時(shí)達(dá)到最大，為86.28%。斷面收縮率在950℃時(shí)達(dá)到最大值，為94.45%，900～1000℃范圍內(nèi)為最佳塑性區(qū)。

（3）304不銹鋼高溫拉伸斷口主要為韌窩形，韌窩的大小和分布與基體中析出相以及夾雜物的大小、分布有密切關(guān)系。

（4）鑄態(tài)304不銹鋼在300～1250℃，δ鐵素體隨溫度的升高網(wǎng)狀組織逐漸消失并發(fā)生球化，也是使其塑性提高的重要原因之一。

[1]孟亞惠,季根順,樊丁，等.不銹鋼高溫組織與高溫力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].材料熱處理技術(shù)，2009,38(4):12－16

[2]陳祖?zhèn)ィ髌饎祝疃?Cr18Ni9Cu3NbN奧氏體不銹鋼的性能研究[J].金屬熱處理，2010,35(10)：52－55

[3]Suzuki H G,Nishimura S,Yamaguchi S.Characteristics of Embrittlement in Steels above 600℃[J].Tetsu－to－Hagane,1979,65(14):2038.

[4]Suzuki H G,Nishimura S,Imamura J.Hot Ductility in theTemperature Range between 900 and 600℃[J].Tetsu－to－Hagane,1981,67(8):1180.

[5]宮一衡.18－8(Ti)不銹鋼坯裂紋研究[J].四川冶金,1995（4）20－27.

[6]朱誠，金方.1Cr18Ni9Ti不銹鋼的成分與熱塑性的關(guān)系[J].上海金屬,1995,17（5）41－45.

Study on High Temperature Tensile Behavior and Fracture Characteristics of Cast 304 Austenitic Stainless Steel

TAN Wei,WANG YuShun
(Sany Electric Co.Ltd.,Beijing 102202,Beijing China)

The mechanics properties and microstructure of cast 304 austenitic stainless steel at high temperature have been investigated by means of metallographic microscope,SEM,draw machine respectively resulted in that the tensile strength of 304 stainless steel decreased rapidly with rising of temperature at 300～950℃,this decreasing became slowly at 950～1250℃;elongation was 86.28%,the maximum at 950℃;the reduction ratio of area was 94.45%,the maximum at 950℃.Visual inspection and microexamination of fracture surfaces of tensile specimens of 304 stainless steel have been done.The reasons of affecting the plasticity and toughness of materials have also been discussed.

304 stainless steel;High temperature mechanics properties;Austenitic stainless steel

TG142.72;

A；

1006－9658（2012）02－0043-3

2011-11-27

稿件編號：2011-165

譚威(1981-)，男，工程師，從事不銹鋼高溫組織與性能及風(fēng)電齒輪熱處理研究