時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼力學(xué)性能及顯微組織研究*

胡　靜，嚴(yán)　輝，謝　焱，張先林，謝文玲，廖向開(kāi)

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川　自貢　643000)

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時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼力學(xué)性能及顯微組織研究*

胡靜，嚴(yán)輝，謝焱，張先林，謝文玲，廖向開(kāi)

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000)

研究了形變后時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼延伸率、硬度和顯微組織的影響。結(jié)果表明：采用室溫拉伸30%后進(jìn)行900 ℃時(shí)效10～30 min熱處理的相變循環(huán)，相變循環(huán)2次后，均實(shí)現(xiàn)了超塑性，隨著時(shí)效時(shí)間的增加總延伸率增加，時(shí)效20 min后達(dá)到最大值195%后減小，硬度呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律。顯微組織觀察結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的增大，晶粒尺寸先減小后增大，在時(shí)效20 min時(shí)晶粒最小。

延伸率；相變循環(huán)；超塑性；304不銹鋼；時(shí)效時(shí)間

304不銹鋼是產(chǎn)量和消費(fèi)最大、最知名的一種18-8型鉻鎳不銹鋼，具有良好的抗氧化性、較高的力學(xué)性能和優(yōu)良的耐腐蝕性，在能源、化工、航空、汽車工業(yè)、船舶制造以及食品醫(yī)療等行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。近年來(lái)隨著研究手段的進(jìn)步，對(duì)304不銹鋼通常采用固溶處理、去應(yīng)力退火、穩(wěn)定化處理、冷軋加高溫退火、激光沖擊技術(shù)、低溫變形熱處理技術(shù)、高溫拉伸技術(shù)等方法提高其機(jī)械性能，包括強(qiáng)度、塑性、韌性、延展性[2-7]。304不銹鋼屬奧氏體不銹鋼，室溫下為奧氏體組織，利用一定的形變誘導(dǎo)馬氏體相變，使其獲得馬氏體組織。再通過(guò)一定溫度一定時(shí)間的時(shí)效處理，使馬氏體逆相變可重新獲得奧氏體組織，完成一次相變循環(huán)。利用馬氏體相變循環(huán)可實(shí)現(xiàn)304不銹鋼的超塑性，為304不銹鋼實(shí)現(xiàn)超塑性提出了簡(jiǎn)單而有效的新方法[8-10]。

本文在室溫下對(duì)304不銹鋼棒材進(jìn)行拉伸變形，然后進(jìn)行時(shí)效處理，研究形變后時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼延伸率、強(qiáng)度、硬度的影響規(guī)律。在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織，研究形變后時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼顯微組織的影響規(guī)律。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用直徑為Φ4 mm的304不銹鋼棒材，化學(xué)成分如表1所示，其余為Fe。將不銹鋼棒材采用線切割加工為Φ4 mm×120 mm的試樣，實(shí)驗(yàn)初始標(biāo)距取為60 mm。

表1　304不銹鋼合金成分

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將試樣在拉伸機(jī)上拉伸30%誘導(dǎo)馬氏體相變，之后于900 ℃時(shí)效不同時(shí)間使馬氏體逆相變，這樣完成一次相變循環(huán)。拉伸采用HX-128-70M高低溫型拉力機(jī)拉伸，拉伸速度7 mm/min，時(shí)效在箱式熱處理爐里進(jìn)行,溫度為900 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為10、20、30 min。

超塑性的大小采用總延伸率作為指標(biāo)，將不同時(shí)效時(shí)間相變循環(huán)2次后的試樣以7 mm/min的拉伸速度拉斷，將斷后試樣與原試樣相比，得到總的延伸率。該總延伸率即為不同時(shí)效時(shí)間下試樣的總延伸率δ總。當(dāng)總延伸率δ總≥100%時(shí)，即獲得超塑性。

利用布洛維硬度計(jì)(壓頭為金剛石圓錐)測(cè)得不同條件下試驗(yàn)后的試樣的硬度HRC。將不同時(shí)效時(shí)間后的試樣經(jīng)切割、粘樣、粗磨、細(xì)磨、拋光處理后進(jìn)行腐蝕(腐蝕劑為靜置24 h后的王水)，采用金相顯微鏡觀察顯微組織[1]。

2　結(jié)果與討論

2.1時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼延伸率的影響

圖1為拉伸速度為7 mm/min，時(shí)效溫度為900 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為10 min、20 min、30 min，兩次相變循環(huán)后試樣的總延伸率。結(jié)果表明：相變循環(huán)2次后試樣均實(shí)現(xiàn)了超塑性,試樣的延伸率隨時(shí)效時(shí)間的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。利用金相顯微鏡觀測(cè)其顯微組織，在10～20 min的時(shí)效時(shí)間內(nèi)晶粒由大變小(見(jiàn)圖3a、b)，延伸率隨時(shí)效時(shí)間的升高而升高；當(dāng)時(shí)效時(shí)間為20 min時(shí)晶粒最大(見(jiàn)圖3b)，延伸率達(dá)到最大值195%；在20～30 min的時(shí)效時(shí)間內(nèi)晶粒由小變大(見(jiàn)圖3b、c)，延伸率隨時(shí)效時(shí)間的升高而下降。

圖1　時(shí)效時(shí)間對(duì)延伸率的影響

2.2時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼硬度的影響

圖2是拉伸速度為7 mm/min，時(shí)效溫度為900 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為10 min、20 min、30 min，兩次相變循環(huán)后試樣的硬度。結(jié)果表明：試樣的硬度隨著時(shí)效時(shí)間的升高而先增大后減小。硬度隨時(shí)效時(shí)間的升高而增大，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為20 min時(shí)硬度達(dá)到最大值33.4 HRC，之后硬度隨時(shí)效時(shí)間的升高而下降。

圖2　時(shí)效時(shí)間對(duì)硬度的影響

2.3時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼顯微組織的影響

圖3　時(shí)效時(shí)間對(duì)304不銹鋼顯微組織的影響(×800)

圖3為拉伸速度為7 mm/min，時(shí)效溫度為900 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為10 min、20 min、30 min，兩次相變循環(huán)后試樣的顯微組織形貌。由圖3可知，時(shí)效時(shí)間為10 min的晶粒較為粗大(見(jiàn)圖3a)，試樣洛氏硬度為33.1 HRC；時(shí)效時(shí)間為20 min時(shí)，晶粒變得更細(xì)小而均勻，試樣洛氏硬度為33.4 HRC(見(jiàn)圖3b)；時(shí)效時(shí)間為30 min時(shí)，晶粒較時(shí)效時(shí)間為20 min下的晶粒粗大，試樣洛氏硬度為32.5 HRC(見(jiàn)圖3c)。

在相變超塑性中，塑性的提高主要是由于每一次相變和逆相變積累的塑性，室溫拉伸形變獲得的馬氏體在時(shí)效時(shí)會(huì)重新轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。合金晶粒越細(xì)，晶界面積越大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙越大，材料形變的阻力越大，材料硬度強(qiáng)度越高[11-13]，塑性也會(huì)增加。隨時(shí)效時(shí)間增加，晶粒變細(xì)，因此塑性得以提高，硬度也增加，但時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致試樣晶粒長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致試樣的塑性和硬度都降低。

3　結(jié)　論

(1)采用室溫拉伸30%后進(jìn)行900 ℃時(shí)效10～30 min熱處理的相變循環(huán)，相變循環(huán)2次后，均實(shí)現(xiàn)了超塑性。

(2)拉伸速度為7 mm/min，時(shí)效溫度為900 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為10 min、20 min、30 min，2次相變循環(huán)后，隨著時(shí)效時(shí)間的增加總延伸率增加，時(shí)效20 min后達(dá)到最大值195%后減小，硬度呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律。原因在于隨時(shí)效時(shí)間增加，晶粒變細(xì)，塑性得以提高，硬度也增加，但時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致試樣晶粒長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致試樣的塑性和硬度都降低。

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Study on Aging Time on Mechanical Properties and Microstructure of 304 Stainless Steel*

HUJing,YANHui,XIEYan,ZHANGXian-lin,XIEWen-ling,LIAOXiang-kai

(College of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Sichuan Zigong 643000, China)

The effect of aging time after deformation on the elongation, hardness and microstructure of 304 stainless steel was studied. The results showed that after stretching 30% at room temperature and then aging at 900 ℃ for 10 to 30 min as one phase change cycle, after two cycles, the phase transformation superplasticity can be achieved. With the increase of the aging time the total elongation increased, and reached the maximum of 195% for aging 20 min, and then decreased. The changing rule of the hardness was similar. The microstructure observations showed that with the increase of aging time, grain size decreased firstly, and then increased, and the grain size was the most small for aging 20 min.

elongation; phase change cycle; super-plasticity; 304 stainless steel; aging time

國(guó)家自然科學(xué)基金(51301115)；大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(201410622029，201510622050)。

TG142.25,TG156.92

A

1001-9677(2016)012-0082-02