奧氏體不銹鋼低溫力學性能研究綜述

譚 粵，李 蔚，夏 莉，屈莎莎，徐 瑤，楊 剛，張 耕

(廣東省特種設備檢測研究院， 廣東 佛山 528251)

不銹鋼是一種廣泛應用于各行各業的重要金屬材料，按照其微觀組織的不同，可以分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼以及沉淀強化不銹鋼。相對于普通的碳素鋼，不銹鋼化學成分的區別主要在于其中添加了Cr、Ni、Mn和Mo等合金元素，從而明顯提高了其力學性能和耐腐蝕性能[1]。奧氏體不銹鋼是整個不銹鋼系列中最大的一個類別，它們在大多數環境中均具有良好的耐腐蝕性能。

通常具有體心立方(bcc)結構的金屬在低溫下會發生韌脆轉變，即當溫度下降至某一臨界值時，材料的斷裂方式會由韌性斷裂轉變為脆性斷裂[2]。而具有面心立方(fcc)結構的金屬材料往往不存在明顯的韌脆轉變溫度，即使材料在低溫下的塑性有所下降，但其仍然表現出明顯的韌性斷裂特征。奧氏體不銹鋼就是這樣一種能夠在低溫下保持良好塑性和韌性的金屬材料。該合金還具有高強度、良好的成形性能和焊接性能等優勢，因此廣泛應用于低溫壓力容器[3]。本文介紹了奧氏體不銹鋼的主要特點及其在低溫下的力學行為。通過分析奧氏體不銹鋼在低溫下的組織和力學性能演變規律，明確奧氏體不銹鋼在低溫下塑性降低的原因以及提高奧氏體穩定性的方法，為奧氏體不銹鋼在低溫下的應用提供一定的理論基礎。

1 奧氏體不銹鋼的特點

奧氏體不銹鋼中往往會添加大量的奧氏體形成元素以提高奧氏體的穩定性，其中最主要的元素就是Ni(含量一般超過8wt%)，其次還有C、N和Mn等。C和N是強奧氏體形成元素，C還能提高不銹鋼的高溫強度和蠕變強度，N能顯著改善其室溫和低溫強度[4]。此外，Cr也是一種不可或缺的元素，主要是為了改善其抗腐蝕性能。奧氏體不銹鋼中除了主要的元素Fe、Ni和Cr之外，根據不銹鋼用途的不同還會向其中添加不同種類的微量合金元素來有針對性地提高某一方面或者幾方面的性能。

根據化學成分的不同，奧氏體不銹鋼主要可以分為兩個合金系列[5]：(1)Fe-Cr-Ni系(300系)不銹鋼，工程上常用的304奧氏體不銹鋼就屬于該系列，另外還包括304L、316、316L、321等不銹鋼。(2)Fe-Cr-Ni-Mn系(200系)不銹鋼，通常其中也會添加N元素，利用部分Mn和N代替Ni元素，起到穩定奧氏體并降低成本的作用。與200系不銹鋼相比，300系不銹鋼具有更加優異的低溫韌性和抗腐蝕性能，因而被廣泛應用于低溫液體的儲運容器。不銹鋼不同的牌號表示它們具有不同的合金成分，最終表現為性能的差異。例如，與304L不銹鋼相比，316L不銹鋼中添加了約2wt%的Mo替代等量的Cr，顯著改善不銹鋼的抗氯離子腐蝕性能和耐點蝕能力，因而適合用于高鹽含量的海洋環境。而321與347不銹鋼則分別添加了少量Ti和Nb，這兩種元素能與C結合從而減少由于析出富鉻碳化物而引起的晶間腐蝕[4]，改善合金的抗晶間腐蝕性能，因此適用于腐蝕環境或者高溫環境中。目前，奧氏體不銹鋼因其良好的低溫塑性和韌性而廣泛應用于低溫工作環境，是一種十分重要的金屬結構材料。

2 奧氏體不銹鋼低溫力學性能

奧氏體不銹鋼最重要的組織是具有fcc結構的奧氏體相，其力學性能主要由奧氏體的穩定性決定，包括熱穩定性和機械穩定性，它們能夠反映低溫和形變誘發馬氏體相變的趨勢。奧氏體的穩定性強烈取決于合金的化學成分，一些合金元素如Ni和N的添加能夠降低馬氏體轉變溫度，提高奧氏體熱穩定性。晶粒尺寸也會顯著影響奧氏體熱穩定性[6]。除了合金成分與晶粒尺寸這些內在因素之外，溫度、加工工藝、環境介質等外在因素也與奧氏體穩定性存在密切關系。到目前為止，已有大量實驗證實奧氏體不銹鋼在低溫下的力學行為與室溫下存在顯著區別。通常金屬材料的強度隨溫度降低而提高，而塑性和韌性的變化并沒有普適的規律，主要取決于材料的成分與晶體結構，可以采用測量材料拉伸時的伸長率以及觀察斷裂截面的斷裂特征等方式評估材料的塑性。此外，材料的韌性是以其強度和塑性為基礎的參數，它表示材料在斷裂前吸收能量的能力。具有高斷裂韌性的材料能夠承受偶然高于屈服強度的應力而不發生斷裂[7]，通過拉伸試驗或者夏比V型缺口試驗可以真實反映材料的韌性。

Qiu等[8]總結了18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼的力學性能隨溫度的變化關系，如圖1(a)所示。隨實驗溫度的降低，不銹鋼的屈服強度、抗拉強度顯著增大，而延伸率則逐漸降低。同時也可以看出，不銹鋼在77 K和20 K溫度下的強度和塑性區別并不明顯，這意味著該合金在低溫下可能保持良好的塑性。圖1(b)顯示，在溫度從300 K降低至20 K時，316奧氏體不銹鋼的斷裂韌性先逐漸增大，在77 K時達到峰值隨后在20 K時略微下降，但是依然高于室溫，表明316奧氏體不銹鋼具有良好的低溫韌性。Ilola等[9]通過拉伸試驗和夏比沖擊試驗研究了19Cr-8Ni-(0.26-0.5)N、22Cr-12Mn-1.0N及19Cr-15Mn-0.8N三種高N奧氏體不銹鋼在室溫和77 K溫度下的力學性能演變，并且利用AISI 304N奧氏體不銹鋼進行對比分析。結果表明，高氮Cr-Ni-N和Cr-Mn-N不銹鋼在室溫下具有優異的強度、塑性和韌性。在77 K時，幾種不銹鋼的屈服強度和抗拉強度均明顯提高，Cr-Mn-N不銹鋼中更高的N含量使其具有比Cr-Ni-N不銹鋼更高的強度，然而兩類合金的塑性和韌性則顯著下降，尤其是Cr-Mn-N不銹鋼的伸長率幾乎難以測量。觀察Cr-Ni-N和Cr-Mn-N不銹鋼的拉伸和沖擊斷口形貌，發現隨溫度降低其斷裂方式由穿晶斷裂轉變為沿晶斷裂，更加直觀地反映合金塑性和韌性的顯著降低。而作為比較的AISI 304N不銹鋼在室溫和77 K低溫下均能保持較高的強度和塑性，表明大量Mn和N的添加會損害奧氏體不銹鋼的低溫塑性和韌性。

圖1 18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼在不同溫度下的力學性能(a)和316奧氏體不銹鋼在不同溫度下的斷裂韌性(b)[8]Fig.1 Mechanical properties of 18Cr-8Ni austenitic stainless steel at different temperatures(a) and Fracture toughness of 316 stainless steel at different temperatures(b)[8]

Zheng等[10]對一種平均晶粒尺寸約為48 μm的AISI 304奧氏體不銹鋼在20～298 K溫度范圍內進行拉伸試驗和夏比V型缺口沖擊試驗，研究了低溫對亞穩奧氏體不銹鋼力學行為的影響。結果表明，隨著溫度從298 K降低至20 K，AISI 304奧氏體不銹鋼的屈服強度和抗拉強度分別從263 MPa與1309 MPa提高至527 MPa和2076 MPa，在20 K和77 K時的屈服強度和抗拉強度明顯高于其他溫度。分析其原因，可能是溫度降低阻礙了位錯運動以及低溫誘發奧氏體向馬氏體轉變使馬氏體含量急劇增加，從而提高了不銹鋼的低溫強度。與強度的變化趨勢相反，夏比沖擊吸收功隨溫度從298 K降低至77 K而迅速下降，而在20～77 K時則基本保持不變，特別是在20 K時的沖擊吸收功依然高達195 J。圖2所示為AISI 304奧氏體不銹鋼在298 K和20 K溫度下的沖擊斷口形貌，可以看出不銹鋼在20 K溫度下仍保持韌性斷裂，表明該合金在20～298 K溫度范圍內沒有發生韌脆轉變，具有良好的低溫力學性能穩定性。低溫下馬氏體的形成是304不銹鋼強度上升和塑性下降的主要原因。

Takaki等[6]也報道過細化晶粒能顯著提高奧氏體的熱穩定性，他們從微觀組織分析和熱力學角度研究了晶粒尺寸對Fe-16Cr-10Ni亞穩奧氏體不銹鋼馬氏體相變的影響。圖3所示為室溫和77 K時不銹鋼中的馬氏體體積分數與晶粒尺寸的關系。可以看出，在室溫和77 K時，馬氏體體積分數均隨晶粒尺寸的減小而顯著下降，特別是當晶粒尺寸為0.8 μm時，馬氏體相變幾乎不會發生。然而，奧氏體晶粒尺寸為10 μm時就基本能夠抑制室溫下的馬氏體等溫相變，卻并不能抑制77 K低溫下的馬氏體相變。這一現象表明奧氏體不銹鋼要在更低溫度下保持穩定則需要更小的晶粒尺寸，奧氏體晶粒細化至1 μm以下時能夠有效抑制馬氏體相變。其主要原因是奧氏體的超晶粒細化會顯著提高多變體馬氏體形核所需的彈性應變能，促使馬氏體的相變方式由多變體轉變為單一變體。而在超細晶粒奧氏體中，晶粒內單一變體馬氏體的形核也需要巨大的化學驅動力(過冷度)，從而抑制亞穩奧氏體向馬氏體的轉變，提高奧氏體熱穩定性。

圖2 AISI 304奧氏體不銹鋼在298 K(a)與 20 K(b)溫度下的沖擊斷口形貌[10]Fig.2 The morphology of impact fracture for theAISI 304 austenitic stainless steel at 298 K(a)， 20 K(b)[10]

為了明確晶粒尺寸與奧氏體機械穩定性之間的關系，Matsuoka等[11]研究了晶粒尺寸在1～80 μm范圍內的亞穩態奧氏體不銹鋼Fe-16Cr-10Ni在單軸拉伸變形時的形變誘發馬氏體相變行為。此外，采用電子背散射衍射(EBSD)方法分析形變誘發馬氏體的晶體學特征，探討了變體的選擇規律。拉伸變形時形變誘發馬氏體的體積分數隨應變量的增大而增加，然而幾乎不受晶粒尺寸的影響。盡管晶粒細化能夠顯著提高奧氏體的熱穩定性，但奧氏體的機械穩定性與晶粒尺寸無關。在形變誘發馬氏體相變(近單一變體相變)過程中，奧氏體晶粒傾向于選擇一些特殊的馬氏體變體，導致沿拉伸方向形成了織構。說明形變誘發馬氏體相變選擇了最有利的變體來釋放拉伸時的各向異性相變應變，在這種情況下，通過晶粒細化來抑制馬氏體相變是無效的，因此奧氏體的機械穩定性與晶粒尺寸無關。

Wu等[12]研究了經過不同低溫預應變處理的316LN奧氏體不銹鋼分別在室溫、77 K和4.2 K溫度下的力學性能變化規律。結果表明，316LN奧氏體不銹鋼的屈服強度和抗拉強度隨預應變的增加和試驗溫度的降低而提高。當預應變從0%增加到35%時，不銹鋼屈服強度在室溫、77 K和4.2 K時分別提高了199.6%、72.5%和91.5%。不同預應變處理的不銹鋼伸長率隨溫度的變化趨勢基本相似，均隨溫度的降低先升高后下降，并在77 K時達到峰值。然而，在所有試驗溫度下，試樣的伸長率均隨預應變的增加而降低，尤其在室溫時，當預應變從0%增加到35%，其伸長率約下降了94%。經過35%預應變的樣品的斷裂韌性也明顯低于0%預應變樣品，表明低溫預應變會降低不銹鋼的塑性。然而，不同條件下的所有樣品的拉伸斷口處均存在大量韌窩，呈現出韌性斷裂特征。通過微觀組織分析發現，316LN奧氏體不銹鋼的強度隨溫度降低而升高的主要原因是引起應變誘發馬氏體相變的吉布斯自由能隨溫度從室溫降低至4.2 K而逐漸增大，并且低溫使奧氏體層錯能降低，兩者均導致低溫下的馬氏體含量增加[13]。預應變能夠增加位錯密度和促進馬氏體相變，使不銹鋼強度高于原始材料。然而，更高的馬氏體含量反而會導致晶格結構的不可逆轉變，降低材料的斷裂韌性，從而更容易發生失效。

圖3 室溫和77 K深冷處理后的不銹鋼中馬氏體 體積分數與晶粒尺寸的關系[6]Fig.3 The volume fraction of martensite for the stainless steel with sub-zero treatment of 77 K[6]

為了研究C和N等微量元素對奧氏體穩定性的影響，Masumura等[14]研究了含0.1wt%C或N的304亞穩奧氏體不銹鋼的熱誘發和形變誘發α′-馬氏體相變行為，并從層錯能的角度分析了變形微觀組織的發展差異。圖4所示為基礎鋼、加碳鋼和加氮鋼中的α′-馬氏體體積分數隨溫度的變化關系。可以看出，C和N元素的添加顯著降低304不銹鋼的馬氏體轉變開始溫度與馬氏體體積分數。與基礎鋼相比，0.1C不銹鋼的馬氏體轉變開始溫度下降至187 K，而0.1N不銹鋼即使在溫度低至5 K時也沒有發生α′-馬氏體相變，說明N元素提高奧氏體熱穩定性的效果明顯優于C元素。主要原因是N比C能更有效地減小fcc結構和bcc結構之間的化學自由能隙，提高馬氏體相變所需的驅動力，此外加氮鋼還具有更高的層錯能，從而抑制馬氏體相變。Vogt等[15]的研究結果也證實316L不銹鋼中N的添加能夠明顯改善其在300 K和77 K時的抗疲勞性能，其主要原因是加氮不銹鋼中存在位錯的平面滑移，并且溫度的降低對這種位錯滑移更加有利。然而，Masumura等[14]同時也發現，與N元素相比，C提高奧氏體的機械穩定性的作用更加顯著。由于加碳鋼比加氮鋼具有更低的層錯能，形變孿晶和ε-馬氏體優先在加碳鋼中形成，這兩者的界面會抑制形變誘發α′-馬氏體的生長的主要障礙，因此加碳鋼比加氮鋼具有更高的機械穩定性。

圖4 基礎鋼、加碳鋼和加氮鋼中的熱誘發 α′-馬氏體的體積分數隨溫度的變化關系[14]Fig.4 Changes of the volume fraction of athermal α′-martensite with the temperature for base steel， 0.1C steel， and 0.1N steel[14]

3 結 語

本文綜述了奧氏體不銹鋼的分類及常用奧氏體不銹鋼如304和316不銹鋼的低溫力學性能，并分析了不銹鋼低溫下韌性降低的主要原因是熱誘發馬氏體的形成。與穩定奧氏體不銹鋼相比，亞穩態奧氏體不銹鋼更容易在低溫條件下發生熱誘發和形變誘發馬氏體相變，導致其塑性下降。研究表明，可以采用晶粒細化的方式提高奧氏體熱穩定性，通過添加N或C元素能夠同時改善奧氏體熱穩定性和機械穩定性。因此，對于用于極低溫條件下的不銹鋼，應直接選用穩定奧氏體不銹鋼或者采取一系列措施提高奧氏體穩定性，改善低溫塑性和韌性。