冷軋AISI 304不銹鋼微觀組織及力學性能的變化

李勇峰，蔡麗安，馬利杰，劉貫軍

(1.河南科技學院 機電學院，河南 新鄉453003；2.上海師范大學 信息與機電工程學院，上海 200234)

冷軋AISI 304不銹鋼微觀組織及力學性能的變化

李勇峰1，蔡麗安2，馬利杰1，劉貫軍1

(1.河南科技學院 機電學院，河南 新鄉453003；2.上海師范大學 信息與機電工程學院，上海 200234)

采用金相顯微鏡、鐵素體測量儀、硬度計及力學分析等手段，研究了AISI 304不銹鋼的微觀組織和力學性能在冷軋過程中的演變規律. 試驗結果表明：冷軋變形可使AISI 304不銹鋼產生形變誘發馬氏體相變，試樣中金屬晶粒沿著軋制方向被拉扁拉長；在冷軋壓下量較小時，僅有少量的奧氏體相轉變為馬氏體相，并且馬氏體組織以板條狀出現；冷軋壓下量較大時，金屬晶粒逐漸被拉長為纖維狀；隨著冷軋壓下量的增大，馬氏體體積分數、硬度和抗拉強度均隨之增大，但延伸率逐步下降.

冷軋；形變馬氏體；AISI 304不銹鋼；壓下量

奧氏體不銹鋼具有不銹、無磁等特性以及優良的塑性、韌性等性能，其應用越來越廣泛，且在全世界范圍內的生產和需求量保持持續增長的態勢[1]. AISI 304不銹鋼屬于亞穩態的奧氏體不銹鋼，由于其屈服強度值僅為約200 MPa[2]，強度較低，因此其在結構件中的使用受到了一定程度的限制. 但AISI 304不銹鋼具有優異的冷加工性能，通常情況下通過相變強化、加工硬化或細晶強化等措施，可使奧氏體不銹鋼得到顯著強化[3-5]. 強化后的不銹鋼板可廣泛用于各種汽車車體、廚房用具、食品工業設備以及壓力容器、電子工業等多個領域[6]. AISI 304不銹鋼在冷軋過程中將發生形變誘發馬氏體相變，使得其屈服強度、伸長率、應變硬化率以及抗拉強度均發生變化[7-8]. 因此，研究這類不銹鋼的形變強化規律及其微觀組織和力學性能的變化，對擴大奧氏體不銹鋼的使用范圍有重要意義. 使用領域不同對AISI 304不銹鋼冷軋后的性能要求也不同，因此需要根據不同的使用條件，選擇對應的最佳冷加工性能. 本文通過研究冷軋AISI 304不銹鋼的微觀組織和力學性能的演變規律，為現場優化生產提供相應的試驗數據和理論指導.

1　試驗方法和步驟

試驗所用材料為某鋼鐵公司提供的AISI 304奧氏體不銹鋼薄板，其化學成分為：C(0.072%)， Si(0.57%)， Mn(1.43%)， Cr(18.24%)， Ni(8.06%)， Cu(0.07%)， Mo(0.16%)， S(0.008 8%)， P(0.048%)， Fe余量，其中括號內數值為每種成分的質量分數.

試驗開始前，為了消除試樣內部的殘余應力及各向異性，對試樣進行(1050±10)℃的熱處理，恒溫0.5 h 后進行水淬固溶處理. 將熱處理后的材料裁剪成100 mm×50 mm×5 mm大小的試樣，用該公司的小型軋鋼機進行多道次的單向軋制變形，每道次的冷軋壓下量約為5%～20%. 通過調整冷軋機，得到5種不同壓下量(11.60%， 23.00%， 48.65%，74.00%， 82.95%)的試樣. 具體冷軋變形量如表1所示.

表1　不同冷軋變形量的試樣Table 1　Specimens of different cold-rolled thickness reduction degrees

利用金相顯微鏡觀察不同壓下量冷軋后形變試樣的組織形貌. 采用Helmut Fischer GmbH公司生產的MP3C型鐵素體測量儀定量測定帶有鐵磁性的α馬氏體相體積分數，測量前需采用標準的鐵素體試樣進行校準. 采用線切割機將不同壓下量條件下的冷軋試樣按國標切割成標準拉伸試樣，標距l0=50 mm. 然后放在MTS 810.10型試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為5 mm/min，分別測定每種試樣的抗拉強度和伸長率. 采用HXD-1000 TM型顯微維氏硬度計測量不同壓下量冷軋后平行于板材表面的維氏硬度值.

2　結果與討論

2.1冷軋試樣的顯微組織觀察及馬氏體相體積分數的變化

圖1所示為AISI 304不銹鋼在不同冷軋壓下量下軋制變形后的金相纖維組織圖. 從圖1(a)可以看出，試樣在經過固溶處理后，內部均為奧氏體組織. 當壓下量為11.60%時，試樣中的大部分奧氏體組織仍保持奧氏體相不變，只有極少數的奧氏體組織受冷軋形變影響轉為板條狀馬氏體相. 當壓下量繼續增大，試樣中的形變馬氏體量明顯增多，由于在冷軋過程中出現形變能，導致晶界變得較粗糙. 當壓下量為82.95%時，試樣中大部分奧氏體組織受冷軋形變影響誘發為馬氏體組織. 從圖1還可以看出，隨著壓下量的增大，試樣中各晶粒的滑移方向都向軋制方向轉向，逐漸趨于相同的取向，而且晶粒也逐漸被拉扁、拉長，當壓下量較大時，晶粒逐漸被拉長為纖維狀.

(a) 初始態

(b) 11.60%

(c) 23.00%

(d) 48.65%

(e) 74.00%

(f) 82.95%圖1　不同壓下量冷軋試樣的顯微組織Fig.1　Microstructures of cold-rolled specimens under different thickness reduction degree

α馬氏體相的體積分數與冷軋壓下量的關系曲線如圖2所示. 由圖2可知，隨著冷軋壓下量的增大，試樣中馬氏體體積分數隨之增加，當冷軋壓下量從0%增大到82.95%時，試樣中的馬氏體體積分數從0%增大到92%. 這個結果與圖1金相顯微組織觀察的結果一致.

圖2　不同壓下量對應的馬氏體體積分數Fig.2　Volume fraction of martensite under different thickness reduction

2.2冷軋試樣的硬度變化

不同冷軋壓下量對應的試樣表面硬度值如圖3所示. 從圖3可以看出，試樣的硬度值隨著冷軋壓下量的增加而顯著增大. 當試樣在固溶處理狀態時，其表面硬度值僅為181.32 kg/mm2. 當冷軋壓下量為48.65%時，試樣表面的硬度值增大到440 kg/mm2. 尤其當冷軋壓下量為82.95%時，試樣表面的硬度值高達599.73 kg/mm2. 這主要是因為隨著變形量的增加，試樣內條狀馬氏體組織顯著增多，形變孿晶的數量增多，在冷軋過程中產生相對較硬的形變馬氏體，促進了材料硬化程度的提高.

圖3　不同冷軋壓下量對應的表面硬度Fig.3　Surface hardness under different thickness reduction

2.3冷軋試樣抗拉強度、屈服強度和延伸率的變化

AISI 304不銹鋼板的屈服強度、抗拉強度以及延伸率隨不同冷軋壓下量的變化如圖4所示.

圖4　不同壓下量冷軋試樣的屈服強度、抗拉強度和延伸率Fig.4　Yield strength, tensile strength and elongation of cold-rolled specimens under different thickness reduction degree

從圖4可以看出，隨著冷軋壓下量的增大，試樣的抗拉強度逐步變大，而試樣的延伸率(塑性)逐步降低. 試樣在固溶處理狀態(未冷軋)時，其抗拉強度為713 MPa，屈服強度為285 MPa，延伸率為57.5%，屈強比(屈服強度與抗拉強度之比)約為0.4. 當壓下量為48.65%時，冷軋試樣的抗拉強度增加到1244.5 MPa，屈服強度增加到1064.09 MPa，屈強比提高到0.85，而延伸率與強度的變化趨勢相反，降為13.8%. 隨著壓下量的增大，屈服強度和抗拉強度增加，但是試樣的延伸率明顯下降. 當壓下量為82.95%時，冷軋試樣的抗拉強度和屈服強度分別高達1740.60 和1684.27 MPa，抗拉強度與屈服強度的差值很小，屈強比高達0.97，延伸率降為3.65%. 這些結果表明，通過對AISI 304不銹鋼的冷軋變形，可使其抗拉強度和屈服強度得到大幅度強化，但同時其延伸率大大降低. 結合上文研究可知，這主要是因為在冷軋變形過程中，AISI 304不銹鋼中大量的奧氏體相誘變為馬氏體相，并且使鋼中位錯密度增加，阻礙位錯的進一步運動，因而其變形抗力增大，進而形變強化能力提高，塑性變形能力降低.

3　結　語

冷軋變形可使AISI 304亞穩態奧氏體不銹鋼產生形變誘導致馬氏體相變，并且相變馬氏體體積分數隨著冷軋壓下量的增加而顯著增大. 在冷軋過

程中，試樣中金屬晶粒沿著軋制方向被拉扁、拉長. 當冷軋壓下量較大時，金屬晶粒逐漸被拉長為纖維狀. 通過冷軋工藝，可使AISI 304不銹鋼得到大幅度強化，硬度得到顯著提高. 但由于冷軋促使馬氏體發生形變，同時會使鋼中位錯密度增加，阻礙位錯的進一步運動，其塑性變形能力降低.

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Evolution of the Microstructure and Mechanical Properties of AISI 304 Stainless Steels in Cold-Rolled

LIYong-feng1,CAILi-an2,MALi-jie1,LIUGuan-jun1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China;2. College of Information, Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Normal University, Shanghai 200235, China)

Evolution of the microstructure and mechanical properties of AISI 304 stainless steels in cold-rolled was investigated by means of metallurgical microscopy, ferrite content measuring instrument, hardness tester and mechanical analysis. The results reveal that deformation-induced martensitic transformation can be produced in AISI 304 stainless steels by cold-rolled, and the metal grains of the specimens are extended and oriented along the rolling direction. When the cold-rolled thickness reduction degree is small, only a very small fraction of the austenite phase is transformed into the martensite phase, and the martensite phase appears in the form of laths. When the cold-rolled thickness reduction degree is large, the metal grains are gradually elongated to be fibrous. With the increase of thickness reduction degree, the volume fraction of martensite, hardness and tensile strength are on rise, but the elongation gradually decreases.

cold-rolled; deformation-induced martensite; AISI 304 stainless steel; thickness reduction degree

1671-0444(2015)04-0518-03

2014-12-10

河南省基礎與前沿技術研究資助項目(142300410016)；上海師范大學一般科研資助項目(SK201224)

李勇峰(1979—)，男，河南安陽人，講師，博士，研究方向為金屬材料腐蝕與防護、表面再制造. E-mail：lyf16816800@163.com

TG 142.71

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