C元素對0Cr19Ni9鋼高溫力學性能的影響

李 寧， 楊功斌， 金艷陽

（沈陽科金特種材料有限公司， 遼寧 沈陽 110101）

304奧氏體不銹鋼是工業領域應用最常見、最廣泛的不銹鋼，通常由鉻和鎳配合而成，也是最常見的，其為18-8型不銹鋼鋼種之一[1-3]。這類鋼具有良好的耐腐蝕性，由于為面心結構材料，故其具備良好的室溫及低溫韌性、塑性，沒有冷脆傾向，具有微弱的磁性，且冷加工硬化能力也很高。由于奧氏體比鐵素體再結晶溫度高，所以這類鋼可以作為在350℃以上工作的熱強鋼材料，因此，0Cr19Ni9鋼被廣泛應用于閥門類等壓力容器類產品制造所需的原材料[4，5]。

0Cr19Ni9鋼在室溫下的平衡組織是由α鐵素體加奧氏體組成，由于在固溶狀態下其耐蝕性和高溫力學性能較好等優點，故該材料固溶狀態的應用范圍特別廣泛[6-8]。0Cr19Ni9鋼的高溫性能的好壞直接制約著該材料的使用范疇，本文主要研討影響0Cr19Ni9鋼固溶效果的主要因素以及如何提升0Cr19Ni9材質的350℃高溫力學性能，增強材料的使用性能。

1 試驗材料與方法

試驗用坯料選用真空感應爐熔煉成的規格為200 mm×200 mm×300 mm鋼錠，三種坯料的化學成分如表1所示，其中各坯料的w（C）分別為0.014%，0.047%和0.078%，其他元素化學成分差異不大。坯料經750 kg鍛錘開坯成100 mm×100 mm×1 200 mm長方坯料，然后統一采用1 050℃×3 h熱處理后水冷的固溶冷卻方式。固溶處理后的試樣分別加工成12.5 mm×120 mm的標準圓形拉伸試樣和晶間腐蝕試樣，在CMT4000型萬能試驗拉伸機中進行350℃高溫力學拉伸實驗，按照GB/T4334.5中的規定對晶間腐蝕試樣進行相關實驗，采用OLYMPUS GX51型光學金相顯微鏡觀察金相，采用ZEISS EOV18型SEM觀察彎曲試樣的斷口和能譜分析，并對實驗結果進行分析。

表1 0Cr19Ni9不銹鋼的化學成分 %

2 試驗結果與分析

2.1 C元素含量對高溫拉伸性能的影響

下頁表2為不同C元素含量的0Cr19Ni9不銹鋼在固溶熱處理后，鋼錠A、B、C的試樣所檢測的力學高溫拉伸性能結果。通過表2可以看出，當鋼錠的C元素含量不同時，材料在350℃高溫表現出了不同的力學性能，其高溫性能隨著C元素含量的增加而呈現遞增趨勢，造成這種性能的差異主要是因為0Cr19Ni9不銹鋼材料在固溶時，C元素原子半徑小，故而C元素以間隙固溶體的方式形成晶格畸變，造成位錯密度增加，起到固溶強化作用。由于0Cr19Ni9奧氏體鋼為面心晶格材料，其固溶體溶解度比較大，所以C元素能大量的溶解到固溶體內，C元素的溶解使得晶格畸變時產生了應力場，與位錯周圍的彈性應力場相互影響，讓合金組元的很多其他原子聚集在位錯周圍形成強化的“氣團”，起到了針扎晶界遷移的作用，當進行力學高溫拉伸實驗時，試樣內部微觀的位錯滑移難度加大，使試樣的切變應力加大，造成了試樣宏觀上的強度的提升，因而使得我們看到的0Cr19Ni9不銹鋼材料的350℃高溫性能隨著C元素的增加而表現出力學性能不斷提升。

表2 不同C含量的0Cr19Ni9不銹鋼的高溫性能（350℃）

2.2 C含量對晶間腐蝕的影響

將不同C含量固溶熱處理后的0Cr19Ni9試樣按照標準規定進行彎曲，試樣彎曲后的晶間腐蝕檢測結果如表3所示。通過表3可以看出，當鋼錠的C元素含量不同時，材料在晶間腐蝕實驗中，出現了不同的實驗結果，當w（C）增加到0.078%時，C試樣的晶間腐蝕試樣出現開裂。根據鋼錠C的晶間腐蝕實驗結果，選取了開裂部位進行微觀組織觀察。

表3 不同C元素的0Cr19Ni9不銹鋼的晶間腐蝕實驗結果

圖1中500倍光學顯微鏡金相形貌，圖中的金相微觀組織為奧氏體組織，其中該圖片觀察的組織圖中，在晶界和晶內處存在一些不同形態的碳化物。

圖1 鋼錠C晶間腐蝕斷裂部位的組織觀察

結合圖1所示的微觀組織圖片，我們發現，隨著化學元素C元素的增加，引發的成分偏析愈發明顯，在C元素濃度大的區域，當C元素局部無法全部固溶于固溶體時，未被固溶的C元素由于原子半徑較小，故而游離固溶體，由于C原子本身的親和力強，它結合附近的Cr元素，形成富含大量C、Cr等元素組成的碳化物，其主要碳化物為M23C6，這些碳化物主要在晶界和晶內析出和沉淀，這樣引起了附近區域Cr元素的降低，由于Cr元素擴散速度緩慢，造成了Cr元素的局部富集，進而使得固溶基體出現貧鉻區和富鉻區，這種化學成分的不均勻，造成了貧鉻區和富鉻區之間的電極電位差加大[9]，導致了同一金屬材料在微觀上不同區域間出現了不同的電極電位，使該鋼在電解質溶液中產生微電池作用，進而產生電化學腐蝕，這極大的降低了材料抗晶間腐蝕的能力，非常不利于材料的晶間腐蝕。0Cr19Ni9材料晶界和晶內析出的M23C6碳化物除了產生電化學腐蝕，促使0Cr19Ni9鋼的耐蝕性進一步下降之外，該碳化物大量的析出也破壞了材料基體的連續性和穩定性，當受到外界施加的應力時，基體0Cr19Ni9不銹鋼材料內部各個部位出現了不同的變形抗力行為，其力學性能表現出不一致塑性性能，進而在承受抗力較弱的部位優先出現微裂紋，即材料的局部斷裂破壞，這也是鋼錠C晶間腐蝕試樣斷裂主要原因。

3 結語

0Cr19Ni9不銹鋼中，隨著合金元素C元素含量的增加，0Cr19Ni9材料的350℃高溫力學拉伸性能逐漸增加，當w（C）為0.078%時，Rp0.2和Rm分別增長到163 MPa和419 MPa。隨著C含量的增加，含碳量較高的試樣在晶間腐蝕實驗時出現微裂紋，造成這種腐蝕的主要原因是的M23C6碳化物產生。因此，采用增加0Cr19Ni9不銹鋼材料C元素含量可以提高材料的350℃高溫力學性能，但同時要合理控制的C含量范圍，避免產生M23C6碳化物，進而避免材料的耐蝕性下降，使得材料的使用功能不發生較大改變。

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