Nitronic 50不銹鋼低溫沖擊韌性大幅降低原因分析

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(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 綿陽(yáng) 621000)

質(zhì)量控制與失效分析

Nitronic50不銹鋼低溫沖擊韌性大幅降低原因分析

孫德文,陳萬(wàn)華,祝長(zhǎng)江,牟志超

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 綿陽(yáng) 621000)

針對(duì)低溫風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用Nitronic 50奧氏體不銹鋼在復(fù)檢中出現(xiàn)低溫沖擊吸收能量顯著偏低的現(xiàn)象，對(duì)該批次不銹鋼和參考樣品分別取樣，進(jìn)行了化學(xué)成分、金相、掃描電鏡以及能譜等分析。結(jié)果表明：該批次Nitronic 50不銹鋼中存在大量短棒狀的AlN脆性?shī)A雜物,是導(dǎo)致其低溫沖擊韌性大幅度降低的主要原因；材料晶粒尺寸偏大且存在混晶現(xiàn)象也降低了其沖擊韌性。

低溫風(fēng)洞; Nitronic 50奧氏體不銹鋼; 低溫沖擊韌性; AlN夾雜物； 晶粒尺寸

0.3 m低溫高雷諾數(shù)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞是一座特種風(fēng)洞，該風(fēng)洞通過(guò)降低試驗(yàn)氣體溫度來(lái)增加雷諾數(shù)，用于精確研究邊界層的轉(zhuǎn)捩、分離、激波與邊界層相互干擾等一些對(duì)雷諾數(shù)非常敏感的流動(dòng)問(wèn)題[1]。該風(fēng)洞同世界上運(yùn)轉(zhuǎn)的其他低溫風(fēng)洞一樣，采用液氮?dú)饣鼰岬姆绞絹?lái)降低和保持試驗(yàn)氣體的溫度，因此風(fēng)洞洞體和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)材料必須能夠承受77 K的低溫。作為低溫鋼，除強(qiáng)度外最重要的指標(biāo)就是其低溫沖擊韌性,要求其韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于材料的最低使用溫度,在使用溫度條件下具有足夠的韌性，有足夠的防脆性開(kāi)裂能力和抗裂紋擴(kuò)展的止裂能力[2]。

奧氏體不銹鋼不存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度，在低溫下仍具有良好的沖擊韌性,是低溫工況下的理想材料,特別是在當(dāng)前我國(guó)-196 ℃以下沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)鋼種的情況下,奧氏體不銹鋼在低溫工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。Nitronic 50是一種氮強(qiáng)化的Cr-Ni-Mn系奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能及高溫和低溫性能[3-5]，其強(qiáng)度和耐腐蝕性能優(yōu)于304，394L，306L，316L等不銹鋼，又因其在高壓氫環(huán)境中具有很好的塑形、韌性和焊接性[6-7]而被廣泛應(yīng)用于核能、航空航天和石油化工等領(lǐng)域。但是，Nitronic 50鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，高溫變形抗力較大，這給其熱加工帶來(lái)很大難度，特別是鍛造時(shí)容易發(fā)生開(kāi)裂[8]。

由于Nitronic 50不銹鋼作為低溫風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)材料，因此需要對(duì)使用的每批Nitronic 50不銹鋼進(jìn)行材料復(fù)檢和-196 ℃下的夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗(yàn)。某批Nitronic 50不銹鋼在復(fù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)其低溫沖擊吸收能量最低僅為8 J，遠(yuǎn)小于鋼鐵研究總院冶煉的Nitronic 50不銹鋼參考樣品(以下簡(jiǎn)稱參考樣品)的50 J。筆者通過(guò)對(duì)該批次Nitronic 50不銹鋼進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，并與參考樣品進(jìn)行對(duì)比，以查明其低溫韌性差的原因，為Nitronic 50不銹鋼今后的采購(gòu)與使用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1化學(xué)成分分析

使用Labspark 5000精密直讀火花光譜儀分別對(duì)低溫沖擊韌性不合格的Nitronic 50不銹鋼(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)鋼)和參考樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼和參考樣品的化學(xué)成分均符合美國(guó)專利[3]對(duì)Nitronic 50不銹鋼成分的技術(shù)要求，其中試驗(yàn)鋼鋁含量達(dá)到0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可能是由于在冶煉過(guò)程中使用了鋁作為脫氧劑。

1.2金相分析

從試驗(yàn)鋼和參考樣品上取樣，磨制、拋光和侵蝕后使用GX51金相顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖1和圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)鋼中存在大量短棒狀的非金屬夾雜物，其尺寸大多在5～10 μm，而參考樣品中非金屬夾雜物的數(shù)量與分布較為正常。眾所周知，大尺寸夾雜物對(duì)鋼的塑性，特別是鋼的沖擊韌性極為不利，這是導(dǎo)致試驗(yàn)鋼經(jīng)多次冷循環(huán)處理后沖擊韌性顯著降低的主要原因。

表1 Nitronic 50不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of Nitronic 50 stainless steels (mass fraction) %

圖1 試驗(yàn)鋼非金屬夾雜物形貌Fig.1 Morphology of non-metallic inclusions of the test steel

圖2 參考樣品非金屬夾雜物形貌Fig.2 Morphology of non-metallic inclusions of the reference sample

圖3 試驗(yàn)鋼的顯微組織形貌Fig.3 Morphology of microstructure of the test steel

圖4 參考樣品的顯微組織形貌Fig.4 Morphology of microstructure of the reference sample

由圖3和圖4可見(jiàn)，試驗(yàn)鋼和參考樣品的顯微組織均為典型的單相奧氏體，存在部分孿晶。但試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸明顯偏大且存在混晶現(xiàn)象，粗大的奧氏體晶粒界面將成為微裂紋萌生和擴(kuò)展的起源[9]。相比較而言，參考樣品的晶粒明顯細(xì)小并且組織分布均勻，這也是其低溫沖擊韌性較好的一個(gè)重要原因。

1.3掃描電鏡及能譜分析

為了進(jìn)一步分析短棒狀非金屬夾雜物的具體形貌與成分分布，采用日立S-4300冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對(duì)試驗(yàn)鋼中的非金屬夾雜物進(jìn)行分析。

圖5給出了短棒狀非金屬夾雜物的SEM形貌和EDS分析結(jié)果，可見(jiàn)相比于表1中試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果，短棒狀非金屬夾雜物位置處的鋁含量與氮含量顯著提高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了53.96%與3.23%。因此，基本可以判定該短棒狀非金屬夾雜物主要為AlN夾雜物。

圖6給出了短棒狀非金屬夾雜物以及周圍基體組織的能譜面掃描結(jié)果,可見(jiàn)幾乎所有短棒狀非金屬夾雜物位置處的鋁元素都存在富集現(xiàn)象，而鐵和鉻元素相對(duì)基體組織而言有所缺失。此外，還發(fā)現(xiàn)了少量鉬元素的偏析現(xiàn)象，這主要是由冶金不當(dāng)導(dǎo)致的。金屬中的非金屬夾雜物可看作其中的銳角，并且AlN夾雜屬于硬質(zhì)脆性?shī)A雜物，其在受力時(shí)不易變形，容易造成應(yīng)力集中，繼而在夾雜物附近產(chǎn)生微裂紋[10]，導(dǎo)致其抵抗沖擊能力變差，易發(fā)生斷裂，即沖擊吸收能量較低。

圖5 短棒狀非金屬夾雜物的SEM形貌和EDS譜Fig.5 The a) SEM morphology and b) EDS spectrum of the short rod-like non-metallic inclusions

圖6 短棒狀非金屬夾雜物能譜面掃描結(jié)果Fig.6 Area scanning results of energy spectrum of the short rod-like inclusions: a) SEM morphology; b) distribution of Al; c) distribution of Cr; d) distribution of Ni; e) distribution of Fe; f) distribution of Mo; g) distribution of Mn; h) distribution of N

2 分析與討論

化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，該批次Nitronic 50不銹鋼中鋁含量和磷含量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)成分而言偏高，特別是鋁含量達(dá)到了0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可能是由于在冶煉過(guò)程中使用了鋁作為脫氧劑。

金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該批次Nitronic 50不銹鋼的晶粒尺寸明顯偏大且存在混晶現(xiàn)象，而參考Nitronic 50不銹鋼的晶粒明顯細(xì)小并且組織分布均勻，這是前者沖擊韌性較差而后者沖擊韌性較好的一個(gè)重要原因。

非金屬夾雜物檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該批次Nitronic 50不銹鋼中存在大量短棒狀的非金屬夾雜物，其尺寸大多在5～10 μm。這種大量且尺寸較大的短棒狀非金屬夾雜物是導(dǎo)致該鋼經(jīng)多次冷循環(huán)處理后沖擊韌性顯著降低的主要原因。

掃描電鏡能譜及元素面掃描分析結(jié)果顯示，該批次Nitronic 50不銹鋼中的短棒狀非金屬夾雜物主要為AlN夾雜物。

3 結(jié)論及建議

該批低溫風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用Nitronic 50不銹鋼低溫沖擊吸收能量顯著偏低主要是因?yàn)椴牧现写嬖诖罅慷贪魻畹腁lN脆性?shī)A雜物，另外材料晶粒尺寸偏大且存在混晶現(xiàn)象也降低了其沖擊韌性。

在Nitronic 50不銹鋼采購(gòu)技術(shù)要求中需明確提出不得使用鋁作為脫氧劑，鍛造使用的鋼錠頭尾應(yīng)有足夠的切除量，以確保鍛件無(wú)縮孔及過(guò)度偏析等缺陷。鍛件主截面部分的鍛造比不得小于3。應(yīng)抽檢鍛件的平均晶粒度，其晶粒度不應(yīng)低于7級(jí)。

[1] 廖達(dá)雄,黃知龍,陳振華,等.大型低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞及其關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2014,28(2):1-6,20.

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CauseAnalysisonSignificantDecreaseofImpactToughnessofNitronic50StainlessSteelatCryogenicTemperature

SUNDewen,CHENWanhua,ZHUChangjiang,MOUZhichao

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)

Regarding to the obvious low impact absorption energy of Nitronic 50 austenitic stainless steel used in the movement mechanism of cryogenic wind tunnel at cryogenic temperature during reinspection, a series of testing methods were adopted on the specimens of raw material and reference sample, such as chemical composition analysis, metallographic analysis, scanning electron microscope and energy spectrum analysis, and so on. The results show that numerous short rod-like AlN brittle inclusions existing in this batch of Nitronic 50 stainless steel were the main reason for the significant decrease of the impact toughness at cryogenic temperature. The coarse grain and the mischcrystal in the material also reduced the impact toughness.

cryogenic wind tunnel; Nitronic 50 austenitic stainless steel; impact toughness at cryogenic temperature; AlN inclusion; grain size

TG111.91

B

1001-4012(2017)10-0750-04

10.11973/lhjy-wl201710012

2016-09-14

孫德文(1986-)，男，工程師，碩士，主要從事風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析工作，resistwater@163.com