N08020耐蝕合金的熱變形性能研究

高 佩

(1.江蘇銀環精密鋼管有限公司，江蘇 宜興 214203; 2.江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013)

N08020(國內為NS143，國外為20Cb- 3)鋼是一種Ni- Fe- Cr- Mo- Cu奧氏體耐蝕合金，在硫酸、硝酸、氯化物環境中具有優異的耐腐蝕性能，因而被廣泛用于制作處理熱硫酸的裝置、含氯化物溶液的熱交換器、煉油裝置、濕法冶金裝置等[1- 8]。

N08020合金具有較好的冷、熱加工性能。但目前國內外對它的研究主要集中在焊接工藝等方面[1- 5,9- 10]，有關熱變形工藝研究的報道較少，特別是在該合金的熱模擬方面。本文采用Gleeble- 3500熱模擬試驗機對鍛造態N08020耐蝕合金在900～1 200 ℃以1 s-1的應變速率進行了拉伸試驗，以研究溫度對N08020耐蝕合金熱變形性能的影響，為制定N08020耐蝕合金的熱變形工藝提供理論參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用N08020耐蝕合金采用真空感應+電渣重熔工藝冶煉，再鍛造成φ105 mm的棒材，化學成分如表1所示。

1.2 熱拉伸試驗

表1 試驗用N08020耐蝕合金的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the investigated N08020 corrosion resistant alloy (mass fraction) %

沿N08020合金棒料縱向取樣，磨拋后采用體積分數為10%的草酸溶液進行電解浸蝕，然后在ZEISS Axiovert 40MAT型顯微鏡下觀察。

沿N08020合金棒材縱向取樣，加工8個尺寸為φ10 mm×116 mm的拉伸試樣，試樣兩端螺紋為M10 mm×15 mm。采用Gleeble- 3500熱模擬試驗機將試樣以10 ℃/s加熱到900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 175、1 200 ℃，控溫精度±1 ℃，保溫3 min，再以1 s-1的應變速率拉伸至試樣斷裂，計算試樣的斷面收縮率。再用ZEISS EVO18型掃描電鏡觀察斷口形貌，并采用ZEISS Axiovert 40MAT型顯微鏡檢驗軸向組織。

2 結果與討論

2.1 鍛態組織及析出相

如圖1所示，鍛造態N08020合金組織為等軸晶，有較多孿晶，平均晶粒尺寸約為26.07 μm，平均晶粒度約為7.24級。

圖1 鍛造態N08020合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of the as- forged N08020 alloy

在掃描電鏡下N08020合金棒材的組織形貌如圖2(a)所示，可見合金中存在隨機分布的灰色方形或多邊形析出相及沿縱向分布的白色析出相。能譜分析表明，灰色方形或多邊形析出相為(Ti,Nb)(C,N)，白色析出相為富Cr、Mo的碳化物，如圖2(b)、2(c)所示。

圖2 N08020合金棒材組織的SEM形貌(a)及灰色(b)和白色(c)析出相的能譜分析Fig.2 SEM microstructure (a) and EDS analysis of gray (b) and white (c) precipitated phases in the N08020 alloy bar

2.2 溫度對熱變形性能的影響

N08020合金的熱變形性能隨溫度的變化如圖3所示，由圖可見，當拉伸溫度為900 ℃時，抗拉強度為404 MPa，隨著試驗溫度的提高，抗拉強度明顯下降，當溫度提高到1 200 ℃時，抗拉強度最低，為130 MPa； 隨著試驗溫度的提高，合金的斷面收縮率先增大后減小，為68.0%～98.5%，具有良好的熱塑性，特別是在1 000～1 200 ℃，斷面收縮率均大于83.8%，且在1 175 ℃時達到最大值98.5%。

圖3 N08020合金的熱變形性能隨試驗溫度的變化Fig.3 Hot deformability as a function of test temperatures for the N08020 alloy

2.3 拉伸斷口分析

熱拉伸試驗后N08020合金試樣的宏觀形貌如圖4所示。在900～1 200 ℃熱拉伸時， 試樣斷口處均發生了明顯的頸縮， 可見在此溫度范圍內該合金具有較好的熱塑性；試樣的頸縮程度隨著試驗溫度的提高而越來越明顯，在1 175 ℃拉伸的試樣頸縮最明顯，熱塑性最佳；在1 200 ℃拉伸的試樣頸縮稍有減小。N08020合金熱拉伸試樣斷口的宏觀形貌隨試驗溫度的變化與熱變形性能隨溫度的變化規律相同。

圖4 在不同溫度拉伸試驗后N08020合金試樣的宏觀形貌Fig.4 Macrographs of the N08020 alloy specimens after tensile testing at various temperatures

N0802合金試樣在900～1 200 ℃拉伸后的斷口掃描電鏡形貌如圖5所示。由圖5可知，在900 ℃拉伸的試樣斷口有較多細小的圓形或橢圓形孔洞和韌窩，隨著試驗溫度的提高而增多、加深，說明塑性越來越好；1 200 ℃拉伸的試樣斷口孔洞和韌窩數量急劇減少，大部分較平整，塑性下降。

圖5 N08020合金試樣在不同溫度拉伸后的斷口宏觀形貌Fig.5 Macrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

圖6為N08020合金試樣在900、1 175和1 200 ℃拉伸后斷口的高倍形貌。900 ℃拉伸試樣的斷口韌窩小而淺，個別韌窩較大，韌性較好；1 175 ℃拉伸試樣的斷口有許多較深的韌窩，說明在此溫度下該合金具有良好的塑性；1 200 ℃拉伸試樣的斷口發生了局部熔融，導致其熱塑性降低。

圖6 N08020合金試樣在不同溫度拉伸后的斷口高倍形貌Fig.6 High power micrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

2.4 軸向組織

N08020合金拉伸試樣斷口處軸向顯微組織及動態再結晶體積分數隨試驗溫度的變化如圖7、圖8所示。由圖7可知，在900 ℃拉伸的試樣斷口處晶粒沿拉伸方向拉長，由于晶粒在原始晶界、孿晶界及析出相等處形核需要的能量較低，因而在這些部位出現了許多細小的再結晶晶粒，呈串狀，說明發生了局部動態再結晶，再結晶晶粒平均尺寸約為3.56 μm，平均晶粒度為12.98級，通過軟件分析，動態再結晶體積分數約為85.12%。在拉伸過程中，裂紋源首先在細小再結晶晶粒與原始晶粒界面形成，隨后在應力作用下擴展并最終斷裂；當試驗溫度提高到950 ℃時，細小再結晶晶粒增多，再結晶晶粒尺寸約為3.69 μm，未明顯長大，此時合金基本完全動態再結晶，動態再結晶體積分數約為98.13%；當試驗溫度進一步提高到1 000 ℃時，合金發生了完全動態再結晶；試驗溫度繼續提高，動態再結晶晶粒緩慢長大，超過1 150 ℃時，再結晶晶粒迅速長大；1 200 ℃時，動態再結晶晶粒平均尺寸約為26.81 μm，晶粒度7.15級，斷口出現了鑄態組織，如圖7所示。

當試驗溫度達到1 200 ℃時，在熱拉伸過程中，S、P等雜質元素的溶解度很小，易向晶界偏聚從而改變晶界成分，降低其熔點，首先在三角晶界處熔化，然后沿晶界擴展，晶粒界面的熔化孔洞連接成熔化塊[11]。此外，試驗溫度越高，晶粒越粗大，晶界總長度越小，單位長度晶界上雜質元素濃度更高，因此發生了局部熔融，熱塑性降低。

圖7 在不同溫度拉伸試驗后N08020合金試樣斷口的軸向顯微組織Fig.7 Axial microstructures of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

圖8 在不同溫度拉伸試驗后N08020合金試樣斷口的動態再結晶晶粒的體積分數和尺寸隨溫度的變化Fig.8 Effect of temperature on volume fraction and size of dynamically recrystallized grains on the N08020 alloy specimen fractures after tensile testing at different temperatures

在900～1 200 ℃以1 s-1的應變速率熱拉伸試驗時，N08020合金的動態再結晶體積分數隨著溫度的升高而增大，1 000 ℃拉伸的合金發生了完全動態再結晶，再結晶晶粒隨著溫度的升高而逐漸增大。與上述熱塑性曲線、斷口宏觀形貌和斷口軸向組織結合起來看，對于N08020耐蝕合金，當應變速率為1 s-1時，最佳的熱變形溫度為1 000～1 175 ℃。

3 結論

(1)在900～1 200 ℃以1 s-1的應變速率進行熱拉伸試驗時，隨著溫度的提高，N08020耐蝕合金的抗拉強度逐漸下降，斷面收縮率先增大后減小，為68.0%～98.5%，具有良好的熱塑性，特別是在1 000～1 200 ℃，斷面收縮率大于83.8%，在1 175 ℃時最大，為98.5%，熱塑性最佳。

(2)N08020合金在900～1 200 ℃以1 s-1的應變速率進行熱拉伸后， 試樣斷口均有明顯的頸縮，其變化趨勢與熱變形性能隨溫度的變化規律相同。

(3)N08020耐蝕合金在900 ℃拉伸后，試樣斷口有較多細小的圓形或橢圓形孔洞和韌窩， 且隨著溫度的提高而增多、加深，塑性越來越好；1 200 ℃拉伸的試樣斷口孔洞和韌窩數量急劇減少，斷口大部分較平整，塑性下降。

(4)在900～1 200 ℃以1 s-1的應變速率拉伸的試樣斷口處動態再結晶晶粒的體積分數隨著溫度的提高而增大，在1 000～1 200 ℃拉伸時，發生了完全動態再結晶。但1 200 ℃拉伸后試樣的斷口發生了局部熔融，熱塑性降低。當應變速率為1 s-1時，N08020耐蝕合金最佳的熱變形溫度為1 000～1 175 ℃。