熱處理對316L奧氏體不銹鋼結構、力學和耐腐蝕性能的影響

黨麗

摘要：通過熱處理改變316L奧氏體不銹鋼α和β相的體積分數，可以優化氣體金屬電弧添加劑制造（GMA-AM）316L奧氏體不銹鋼的力學性能和腐蝕性能。結果表明，1000—1200℃熱處理1h對鋼中晶粒形貌影響不大，但對盯、8相含量影響較大。1000℃熱處理有效地提高了鋼中盯相的含量，使鋼的極限強度和屈服強度都有所提高，而彈性模量和屈服強度都有所降低。1100～1200℃的熱處理完全消除了α相，導致極限抗拉強度和屈服強度降低，而彈性模量和屈服強度增加。盯相的強化效果優于β相，但會降低鋼的塑性，增加鋼中產生裂紋的可能性。同時，通過熱處理限制鋼的α相和8相的數量，可以提高鋼的耐蝕性。與β相相比，α相對鋼的耐腐蝕性能的影響更大。

關鍵詞：氣體金屬電弧添加劑;奧氏體不銹鋼;熱處理;α相;拉伸性能;腐蝕性能

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01—0046—04

0引言

奧氏體不銹鋼具有穩定、完整的奧氏體組織，由于其優良的耐腐蝕性、足夠的高溫力學性能，在化學生產、輪船制造、高溫螺栓、核反應堆等現代工業中得到了廣泛的應用，良好的可制造性和焊接性。添加劑制造可以直接制造和修理金屬零件，減少加工時間和成本。與傳統的鑄造、鍛造等制造技術相比，添加劑制造具有技術優勢和經濟競爭力，特別是對于大型復雜金屬構件的制造和修復。添加劑制造具有溫度梯度高、冷卻速度快、循環加熱等特點，與傳統的制造工藝相比，具有較大的微觀組織差異。

研究了316L奧氏體不銹鋼在熱處理過程中的相變行為和結構變化，優化了316L奧氏體不銹鋼的力學性能和腐蝕性能。

1實驗過程

1.1微觀結構表征

使用放電絲從沉積部件上切下金相試樣，然后進行標準機械拋光和蝕刻（4g CuSO4、20mL HCl和20mL H2O）。采用奧林巴斯BX51M光學顯微鏡（OM）和JSM-6010掃描電子顯微鏡（SEM）對GMA-AM 316L的微觀結構進行了研究。在工作距離為3um的JEOL-JEM 7001F中，采用電子背散射衍射（EB.SD）技術對晶體的織構和取向進行識別，通過分析相應的電子背散射圖樣來識別晶體的織構和取向。SEM和EBSD成像的加速電壓為20kV。用Image-Pro-Plus軟件對同一試樣的3張SEM照片計算了沉積態和熱處理后GMA-AM 316L中β相和α相的體積分數。

1.2拉伸實驗

采用50kN-SANS電子拔火機，最大載荷50kN，十字頭轉速0.5mm/min，按ISO 6892-1：2009標準進行拉伸試驗，用電子引伸計測量應變。為進行室溫拉伸試驗，制備了直徑5mm、標距35mm、總長71mm的圓形試樣。拉伸試樣的主軸與沉積方向平行。為了減小測量誤差，對3個相同條件下的試樣進行了平均值計算。用掃描電鏡（sEM）觀察拉伸試樣的斷口和斷面。

1.3電化學實驗

將電化學測試用試樣切成12mmx12mmx2mm的尺寸，作為鑲嵌在環氧樹脂中的工作電極。通過在試樣背面點焊一根銅導線，使試樣從后部電接觸。各工作電極表面用連續級碳化硅砂紙打磨

2000^#砂，再用0.5um金剛石膏拋光。電極的非工作表面用硅橡膠密封。在25℃的3.5wt%NaCl溶液中使用相應的電化學工作站進行電化學試驗。用去離子水和分析級化學品制備溶液。電化學池由3個電極組成：對電極、參比電極和工作電極。分別用鉑箔和飽和甘汞電極（sCE）作為計數電極和參比電極。本工作中引用的所有電位均指SCE。在試樣浸入之前，以0.15L/min的速率將氮氣鼓泡30min，以降低溶液中的氧含量。在整個試驗過程中，通氣繼續進行。為了得到一個穩定的狀態，開路電位（Eo）被記錄了30min。在給定的掃描速度（30mV/min）下，通過將電位從穩定開路電位以下50mV掃過，直到電流密度超過10^-4/cm²，來進行動電位極化測量。電流密度顯著增加時的電位被認為是點蝕電位（Ep）。采用Tafel外推法，根據動電位極化曲線測定了不同試樣的腐蝕電流密度。

2結果

2.1微觀結構

然而，鋼的晶粒很難從SEM圖像中分辨出來，因此采用了EBSD技術。圖2顯示了已沉積和熱處理鋼的EBSD取向成像圖和倒極圖。各種顏色對應于奧氏體晶粒相對于晶格的取向，每種顏色對應于歐拉角的獨特組合。因此，具有相同晶體學取向的晶粒具有相似的顏色。在沉積態鋼中，晶粒呈柱狀形態（圖2（a））。在1000℃-1200℃熱處理1h后，柱狀晶粒與沉積態相比無明顯變化（圖2（b）-（d））。1200℃下較長的保溫時間導致晶粒粗化，并從柱狀轉變為等軸狀，如圖2（e）所示。

2.2拉伸性能

根據沉積鋼和熱處理鋼的應力/應變曲線（圖3），計算帶有誤差棒的極限和屈服強度（Ys）。熔敷鋼的抗拉強度和屈服強度分別達到533MPa和235MPa。1000℃熱處理1h，極限強度由533MPa增加到549MPa，屈服強度由235MPa增加到242MPa，延伸率由48%下降到41%，斷面收縮率由64%下降到61%。在1100～1200℃熱處理時，熱處理鋼的極限強度和屈服強度分別降低到474MPa和204MPa，而熱處理鋼的極限強度和屈服強度分別提高到70%和83%。熔敷鋼的力學性能與固溶處理的316L鋼相當，但在1100%和1200%熱處理時，鋼的極限抗拉強度和屈服強度均低于鍛造316L鋼，熔敷鋼和熱處理鋼的拉伸性能均優于鍛造316L鋼的工業要求。

圖4（a）和（c）分別顯示了沉積態和熱處理（1100℃/lh）鋼的斷裂表面。熱處理（1100℃/1h）鋼的斷面收縮率比沉積鋼大。高倍的斷口（圖4（b）和（d））顯示了凹陷表面，這表明沉積態和熱處理態鋼的斷裂類型屬于韌性斷裂。

2.3腐蝕性能

用動電位極化法研究了沉積態和熱處理態鋼在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能。圖5和表2示出了相應的極化曲線和電化學參數的測量值。低腐蝕電流密度（i COlT）和點蝕電位與腐蝕電位之間的高差（△E）表明腐蝕速率慢，耐腐蝕性高。根據表3，i腐蝕的低至高階為（1200℃/4h）<（1200℃/1h）<（1100℃/1h）<（1000℃/1h）<沉積態，以及AE的高至低階，表明鋼的耐腐蝕性從高到低階。結果表明，熱處理可以提高鋼的耐蝕性。特別是熱處理（1200℃/4h）鋼的耐蝕性最好。

3結語

1）1000℃熱處理有效地提高了鋼中α相的含量，使殘余8相球化。1100℃、1200℃熱處理1h，α相完全溶解于y基體中，δ相隨熱處理溫度的升高而減小。在1000～1200℃熱處理1h后，由于δ相和α相的釘扎作用，柱狀晶沒有明顯的變化。1200℃保溫時間長，晶粒由柱狀變為等軸狀，δ和a相完全溶解。

2）α相的增加導致1000℃熱處理后鋼的極限抗拉強度和屈服強度增加，而熱處理后鋼的屈服強度和屈服強度降低;1100～1200℃熱處理完全消除了α相，導致極限抗拉強度和屈服強度降低，而屈服強度和屈服強度增加。熔敷鋼和熱處理鋼的拉伸性能均超過316L鋼的工業要求。鋼中α相的強化效果優于δ相，但對塑性的影響更大。α相增加了裂紋產生的可能性。

3）熱處理提高了鋼的耐蝕性，隨著熱處理溫度和時間的增加，鋼的耐蝕性提高。α相的形成導致了盯相界面處的Cr虧損區，從而增加了腐蝕的敏感性。與δ相相比，α相對鋼的耐腐蝕性能的影響更大。經過熱處理（1200℃/4h）的全奧氏體組織具有最好的耐腐蝕性。