護環(huán)用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N動態(tài)拉伸的SEM觀察研究

任濤林，王輝亭，文道維，趙 鵬，高秀玲，李文君，戚彩夢，霍 巖

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護環(huán)用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N動態(tài)拉伸的SEM觀察研究

任濤林1,2，王輝亭2，文道維1,2，趙 鵬1,2，高秀玲1,2，李文君1,2，戚彩夢1,2，霍 巖1,2

（1. 水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱150040；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

本文利用帶有動態(tài)拉伸臺的高分辨掃描電鏡對護環(huán)用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N進行了動態(tài)拉伸的微觀形貌原位觀察。通過觀察表明滑移和孿生是室溫下奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N的主要變形機制；隨著變形量的增加，晶粒內(nèi)部的滑移線逐漸增加和加寬，并出現(xiàn)交滑移。在試樣的預制裂紋處容易造成應力集中，逐漸產(chǎn)生微裂紋，最終導致試樣的斷裂。

奧氏體不銹鋼；動態(tài)拉伸；變形機制

0 前言

奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有奧氏體組織的耐腐蝕鋼。1Mn18Cr18N是汽輪發(fā)電機護環(huán)常用的一種奧氏體不銹鋼材料，其中低碳和高鉻能夠使其具有優(yōu)良的耐腐蝕性能；高錳使材料具有順磁性；氮元素可以穩(wěn)定奧氏體并擴大室溫下的奧氏體相區(qū)，使其不出現(xiàn)鐵磁性。氮化物具有彌散強化作用，能夠顯著地提高材料的抗蠕變性能。氮元素具有固溶作用，使奧氏體晶格發(fā)生膨脹畸變，極大地提高材料屈服強度，使得材料在具有高強度狀態(tài)的同時，具有良好的韌性和耐應力腐蝕性能[1]。為了解1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼在室溫拉伸狀態(tài)下性能及裂紋的萌生、擴展和斷裂，可以利用帶有動態(tài)拉伸臺的掃描電鏡從微觀角度深入地研究該材料的組織演變和力學性能。張靜武等人[2]利用透射電鏡原位拉伸方法，對面心立方結構的304L鋼進行了裂紋萌生和擴展的觀察，并對裂紋尖端擴展和晶面變形機制進行了分析。結果表明：晶內(nèi)開裂起源于無位錯區(qū)，裂紋在無位錯區(qū)中形成和位錯塞積無直接關系。謝敬佩等人[3]利用透射電鏡原位拉伸的方法，研究了中錳奧氏體鋼的加工硬化動態(tài)過程，結果表明伴隨著變形量的增大, 位錯增殖并產(chǎn)生交互作用，形變析出的碳化物對位錯運動產(chǎn)生強烈阻礙作用。

1 試驗材料與方法

試樣用材料取自德陽萬鑫電站產(chǎn)品開發(fā)有限公司生產(chǎn)護環(huán)中環(huán)的切向部位，利用紅外碳硫儀（型號CS800）、等離子光譜儀（ICAP6300）和直讀光譜儀（型號 Metal 75-80）測得各主要元素的含量，如表1所示。

動態(tài)拉伸試樣需要經(jīng)過200目砂紙粗磨、400目砂紙粗磨和600目砂紙細磨，再使用顆粒尺度為1~2.5μm的金剛石噴霧劑進行機械拋光，不需要進行腐蝕，最后在掃描電子顯微鏡（型號HITACHI S-570）上觀察，其內(nèi)置拉伸臺的最大拉伸載荷為200kg，最大位移量為20 mm。本試驗中采用位移載荷控制，拉伸速度為10μm/min。

表1 各主要元素含量

2 結果與討論

如圖1所示為奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N原位拉伸試樣尺寸圖，試樣全長為38mm，兩定位孔之間的距離為26mm，孔徑為Ф5mm，試樣中間寬度部分為1.5mm，試樣厚度為1mm。在試樣長度方向的對稱軸位置的單邊通過線切割加工一個半徑為0.15mm的圓弧預制裂紋，通過兩定位孔將試樣安裝在掃描電鏡的動態(tài)拉伸卡具上，在動態(tài)拉伸觀察的過程中，重點選定對圓弧預制裂紋及周圍部分進行觀察。

圖1 原位拉伸試樣圖

在室溫下奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N組織是單一奧氏體組織，如圖2所示。晶粒的原始尺寸為100μm左右，呈多邊形狀，由于護環(huán)經(jīng)歷了大量的變形，所以在晶粒內(nèi)存在大量的滑移線，即奧氏體內(nèi)存在大量位錯、層錯等缺陷。

圖2 室溫下奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N原始組織

圖3為原位拉伸過程中的高分辨掃描照片。如圖3（a）對應的卡具位移為0mm，圖（b）、（c）對應的卡具位移為1.84mm，圖（d）、（e）對應的卡具位移為2.00mm，圖（f）~（h）對應的卡具位移為2.08mm，圖（i）、（j）對應的卡具位移為2.10mm，圖（k）、（l）對應的卡具位移為2.13mm。圖3（a）顯示了未變形試樣表面的宏觀形貌。從圖3（b）可以看出，在拉伸初期，試樣的表面比較平滑, 沒有晶粒的浮凸現(xiàn)象，在變形的初期，由于形變速率較低，形變比較均勻，只能在晶粒內(nèi)看到一個方向的滑移帶，而其他方向的滑移帶比較模糊，說明一組方向的滑移系統(tǒng)占主導地位。隨著變形的加劇，可以看到出現(xiàn)新方向的滑移帶。圖3（c）為材料中固有的微小空洞。從圖3（b）~（e）可以看出，首先在預制裂紋附近的個別晶粒內(nèi)出現(xiàn)大量的滑移線，隨著變形量的增大，表面的浮凸現(xiàn)象變得越來越明顯, 從最初的只有少數(shù)區(qū)域的個別晶粒發(fā)生塑性變形，到幾乎所有晶粒都參與了變形。從圖3（f）~（k）可以看出，隨著變形量的增加，裂紋在應力集中的位置優(yōu)先形成，沿兩條滑移線界面擴展，由于奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N的室溫屈服應力σs0.2很高（達到1200MPa左右）且屈強比很高（0.90以上），因此在變形的大部分時間內(nèi)裂紋擴展的速率很低，當變形達到臨界值時，試樣出現(xiàn)突然的斷裂，說明該材料的裂紋敏感性很強。

從3圖（e）和（f）還可以發(fā)現(xiàn)，晶粒內(nèi)部的滑移線形態(tài)分為直線形和波浪形，分別對應單滑移和多滑移。從變形的初期開始，單滑移和多滑移同時進行。由于材料內(nèi)部塑性變形的不均勻性和不同時性，以及多晶粒協(xié)調(diào)變形，有些晶粒內(nèi)的滑移線平直，有些已發(fā)生明顯的彎曲。變形的后期，試樣寬度方向的所有晶粒都參與了變形，由于每個晶粒的原始取向并不一致，因此在切應力的作用下，晶粒發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，逐漸與拉應力方向平行，晶粒逐漸變?yōu)楸馄降睦w維狀，晶粒內(nèi)部的滑移線急劇地增加。圖3（l）為試樣斷裂后的斷口形貌圖，可以看出，斷口內(nèi)存在大量的韌窩和微小空洞，材料的韌窩斷裂由空穴形核、擴張和匯合造成，斷裂形式屬于韌性斷裂[4]。

如圖4為滑移和孿生形貌圖。從圖4（a）可以看出，兩個方向滑移帶的夾角在截面上測量大約為40°。根據(jù)晶體學理論可知，奧氏體晶粒具有面心立方結構，{111}面為其密排面和滑移面，滑移面之間的夾角為70°32′，由于金相照片系三維晶粒在某一方向上的投影，因此拉伸過程中滑移線的特征基本符合晶體學的位相關系。從圖4（b）可以看出，在拉伸過程中出現(xiàn)大量的孿晶，滑移線在孿晶界處出現(xiàn)了彎折。以上結果表明，滑移和孿生是奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N在室溫下的主要變形機制。

（a）0 mm，（b）1.84mm，（c）1.84mm，（d）2.00m，（e）2.00m，（f）2.08mm，（g）2.08mm，（h）2.08mm，（i）2.10mm，（j）2.10mm，（k）2.13mm，（l）2.13mm

（a）卡具位移為1.84 mm?????（b）卡具位移為2.00mm

3 結論

本文利用帶有動態(tài)拉伸臺的高分辨掃描電鏡對護環(huán)用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N在室溫拉伸狀態(tài)下的裂紋萌生、擴展和斷裂進行了觀察和研究，結論如下：

（1）奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N在室溫下的主要變形機制是滑移和孿生。在變形的初期單滑移和交滑移同時出現(xiàn)。滑移線在孿晶界處出現(xiàn)彎折。

（2）試樣的預制裂紋處容易造成應力集中，是微裂紋萌生的主要發(fā)源地。試樣的斷裂機制為韌性斷裂。

[1] 何文武. 發(fā)電機護環(huán)制造關鍵技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012: 1-4.

[2] 張靜武, 荊天輔, 姚枚. 單相fcc金屬晶內(nèi)裂紋萌生與擴展的TEM原位分析[J]. 材料研究學報, 1999, 13(1): 31-35.

[3] 謝敬佩, 祝要民, 李慶春, 等. 中錳鋼透射電鏡原位拉伸觀察[J]. 電子顯微學報, 1999, 18(5): 531-535.

[4] 袁志鐘, 戴起勛, 程曉農(nóng), 等. 高氮奧氏體不銹鋼動態(tài)拉伸的SEM原位觀察[J]. 江蘇大學學報, 2003, 24(3): 62-65.

In Situ SEM Study of Dynamic Tensile in Austenitic Stainless Steel 1Mn18Cr18N of Retaining Ring

REN Taolin1,2, WANG Huiting2, WEN Daowei1,2, GAO Xiuling1,2,LI Wenjun1,2, QI Caimeng1,2, HUO Yan1,2

（1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China; 2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China）

The microstructure of austenitic stainless steel 1Mn18Cr18Nof retaining ring during the in situ dynamic tensile using SEM with dynamic tensile gauge were investigated. The results indicate that slide and twin are main plastic deformation mechanisms at ambient temperature. With the process of strain, slip lines are increased and widen and cross slip occurred. Micro-crack which gives rise to stress concentration is taken place around the pre-cracks of samples and leads to fracture.

austenitic stainless steel; dynamic tensile; deformation mechanism

TG 111.7

A

1000-3983(2014)02-0028-04

國家“863”課題（2012AA03A502）先進超超臨界火電機組關鍵葉片和護環(huán)鋼開發(fā)。

2013-08-17

任濤林（1981-），博士研究生，2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學材料成形與控制專業(yè)，現(xiàn)從事水輪機、水輪發(fā)電機和汽輪發(fā)電機用材料的研發(fā)和應用工作，工程師。

審稿人：過 潔