加工工藝對AISI 308L不銹鋼棒材組織與性能的影響

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司，西安 710201)

奧氏體不銹鋼具有優異的力學性能及耐蝕性，被廣泛應用于核工業[1]、海洋工業[2]、石油天然氣工業[3]。近年來隨著我國核電工業的大力發展，實現第三代壓水堆堆芯材料國產化對我國實施核電“走出去”國家戰略具有重要意義。由于服役環境的客觀要求，核電用奧氏體不銹鋼結構材料存在應力腐蝕和點腐蝕等局部腐蝕現象，這對材料的服役周期有十分重要的影響。

張瑜[4]研究了304L不銹鋼在Cl-作用下的腐蝕行為，結果表明304L不銹鋼的自腐蝕電位隨著Cl-濃度增大而升高，且陽極極化曲線的鈍化越來越明顯。孫敏等[5]研究了含Cl-環境中溫度對超高強度不銹鋼腐蝕性能的影響，結果表明溫度越高不銹鋼的自腐蝕電位越低，腐蝕電流越大，腐蝕性能下降。

本工作采用不同的加工工藝制備出308L不銹鋼棒材，并著重研究了加工工藝對材料顯微組織、力學性能及耐蝕性的影響，以期對工業化生產提供指導。

1 試驗

試驗材料為AISI 308L不銹鋼棒材，化學成分見表1。原材料直徑為Φ30 mm，分別利用熱軋或冷軋工藝將原材料加工至Φ10 mm的成品，對其進行固溶處理(1 050 ℃，5 min)后，對試樣進行冷加工(形變量為15%～20%)，制得熱軋試樣及冷軋試樣，對兩種加工態試樣進行敏化(650 ℃、2 h)，制得敏化態試樣。

采用GX51倒置金相顯微鏡、UTM5205微機控制電子萬能試驗機對試樣的顯微組織、力學性能進行觀察與測試。應用PARSTAT4000型電化學分析儀對加工態試樣(熱軋試樣及冷軋試樣)及其敏化態試樣的電化學阻抗譜及極化曲線(Tafel曲線)進行了測試。試驗溶液為室溫下的3.5%(質量分數，下同)NaCl溶液，電解池采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SEC)，輔助電極為Pt電極；極化曲線掃描范圍為-0.5～1.5 V(相對于自腐蝕電位)，掃描速率為2 mV/s。

表1 試驗材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of the test material %

2 結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見：冷軋態試樣經固溶處理后其晶粒尺寸較小，不超過20 μm；熱軋試樣經固溶處理后其晶粒尺寸較大，個別晶粒尺寸接近30 μm。

兩種加工態試樣經過敏化處理后，晶界仍有部分間隙碳化物析出，且冷軋試樣的碳化物析出量明顯多于熱軋試樣的。原因可能是由于熱軋工藝會使308L棒材的顯微組織產生更多的低∑CSL晶界；已有研究驗證304奧氏體不銹鋼具有面心立方晶體結構，且層錯能較低，因此在晶粒長大過程中產生的多重孿晶會增加低∑CSL晶界比例，抑制碳化物的析出，提高其晶間腐蝕性能[6]。熱軋試樣的組織粗大，熱軋試樣及其敏化態試樣在晶界處的碳化物析出量均較少，表現出較優異的抗晶間腐蝕性能。

2.2 力學性能

由表2可見：冷軋(熱軋)試樣及其敏化態試樣的力學性能差別不大，加工硬化是其主要強化方式。冷加工變形會使奧氏體不銹鋼棒材的抗拉強度，屈服強度顯著提高，同時伴有塑性的丟失。敏化態試樣的力學性能相對加工態試樣的有所下降，這是因為析出的碳化物增加了材料基體的脆性。

(a)冷軋試樣

(b)熱軋試樣

(c)冷軋敏化試樣

(d)熱軋敏化試樣圖1 采用不同加工工藝制得AISI 308L不銹鋼棒材試樣及其敏化態試樣的顯微組織Fig.1 Microstructure of AISI 308L stainless steel bar samples and their sensitized samples prepared by different processing techniques：(a)cold-rolling sample；(b)hot-rolling sample；(c)cold-rolling sensitization sample;(d)hot-rolling sensitization sample

表2 不同狀態308L不銹鋼棒材的力學性能Tab.2 Mechanical properties of 308L bars in different states

2.3 極化曲線(Tafel曲線)

由圖2可見：熱軋試樣的自腐蝕電位高于冷軋試樣的；熱軋試樣經敏化處理后，自腐蝕電位有所降低，而冷軋試樣經敏化處理后的自腐蝕電位則略有升高。由圖2還可見：幾種試樣的陽極極化曲線斜率均大于陰極極化曲線斜率，表明在NaCl溶液中，Cl-主要是通過與鈍化膜中的O2-發生交換吸附破壞鈍化膜而與基體金屬離子發生反應，促進金屬基體陽極溶解而腐蝕的。

圖2 試樣在3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of samples in 3.5% NaCl solution

2.4 電化學阻抗(EIS曲線)

不銹鋼的耐腐蝕性能主要取決于表面鈍化膜的保護作用[7]。由圖3可見：幾種試樣的電化學阻抗譜均為實部壓縮的單個容抗弧。熱軋、冷軋試樣的容抗弧半徑無明顯差異，表明腐蝕過程的反應阻力無顯著差異，兩種試樣均表現出優良的耐蝕性。

圖3 試樣在3.5% NaCl溶液中的電化學阻抗譜Fig.3 EIS of samples in 3.5%NaCl solution

3 結論

(1)熱軋AISI 308L不銹鋼棒材的晶粒較冷軋AISI 308L不銹鋼棒材的粗大，且晶界析出的碳化物較少；采用不同工藝制備的棒材，其冷加工態及敏化態試樣的力學性能并無明顯差異。

(2)熱軋AISI 308L不銹鋼加工態棒材的自腐蝕電位高于冷軋加工態試樣的，敏化處理對試樣的自腐蝕電位沒有明顯影響。熱軋、冷軋試樣的容抗弧半徑無明顯差異，即腐蝕過程的反應阻力無顯著差異，熱軋、冷軋試樣均具有優良的耐蝕性。