冷變形對Sanicro 25奧氏體耐熱鋼組織和性能的影響

喬吉新，申俊杰，王新宇

(1.天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學機電工程國家級實驗教學示范中心，天津 300384)

0 引 言

提高火力發電效率是降低能耗和污染的重要手段。目前，我國正在投入使用的火電機組主要以亞臨界火電機組和超臨界火電機組為主，其蒸汽參數在17.0～25.5 MPa、540～567 ℃之間，發電效率只有38%～41%；而蒸汽參數在30 MPa、600 ℃的超超臨界火電機組發電效率可以達到48%，蒸汽參數高至30 MPa、700 ℃的高溫超超臨界機組發電效率可以提升到57%[1-2]。制約火力發電機組蒸汽參數提升的關鍵技術是核心高溫材料的選擇和研制。Sanicro 25鋼是瑞典山特維克(Sandvik)公司專門為700 ℃高溫超超臨界機組開發的一種新型奧氏體耐熱鋼，具有較高的蠕變強度、較好的組織穩定性、優良的冷加工性能以及優異的抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能，常應用于超(超)臨界機組過熱器/再熱器中[3-4]。優良的冷加工性能可以在生產制造高溫器件過程中減少材料用量，降低生產成本[5]。但是，冷變形后奧氏體鋼的組織形貌、力學性能、織構類型等均會發生變化[6]，并且織構的變化會對力學性能產生明顯的影響[7-9]，導致奧氏體鋼高溫器件難以在機組中長期穩定服役。為解決此問題，作者研究了不同冷變形量對Sanicro 25奧氏體耐熱鋼顯微組織、力學性能和織構演變的影響規律，擬為進一步改善Sanicro 25奧氏體耐熱鋼性能提供理論指導。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為Sanicro 25鋼管，規格為φ65 mm×10 mm，化學成分見表1。采用線切割沿管長方向切割出長度為220 mm，寬度為30 mm，厚度分別為2.0，2.5，4.0 mm的板狀試樣，使用雙輥冷軋機進行多道次冷軋變形，其中2.0 mm厚試樣未變形(變形量為0)，2.5，4.0 mm厚試樣的變形量分別為20%，50%。

表1 Sanicro 25鋼的化學成分

圖1 拉伸試樣形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

沿軋制方向切割出立方體試樣，經機械研磨、拋光、王水腐蝕后，使用OLYMPUS-BX51M型光學顯微鏡觀察顯微組織。使用島津XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)對變形試樣進行物相分析。立方體試樣經機械研磨、電解拋光后，使用Oxford C-nano型掃描電鏡應用電子背散射衍射(EBSD)技術進行織構分析。

沿軋制方向取樣，制成如圖1所示的拉伸試樣，拉伸試樣厚度為2 mm，標距為80 mm。采用WDW300型萬能試驗機對試樣進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為10 mm·min-1。

2 試驗結果與討論

2.1 冷變形對顯微組織的影響

圖中RD為軋制方向，TD為垂直于軋制面的法線方向。由圖2可以看出，未變形(冷變形量為0)和不同冷變形量試驗鋼的顯微組織均為多邊形奧氏體，奧氏體晶內分布有孿晶(箭頭所指)，孿晶數量隨著冷變形量的增大而增加。

圖2 不同冷變形量試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of test steel with different cold deformations

圖3中紅色為小角度晶界(2°～15°)，灰色為大角度晶界(大于15°)。由圖3可以看出：未變形試驗鋼組織中存在少量的小角度晶界，平均晶粒尺寸為143 μm，且晶內出現少量孿晶；當冷變形量為20%時，小角度晶界數量增加，占比達57.4%，平均晶粒尺寸減小至109 μm，晶粒中孿晶數量增多且孿晶出現部分彎曲變形；當冷變形量為50%時，小角度晶界占比增至85.4%，平均晶粒尺寸進一步減小至76 μm，晶粒細化,晶界模糊并產生更多孿晶。通常可將小角度晶界看成由一系列位錯構成，小角度晶界占比提升也就意味著位錯密度提升。因此，隨著冷變形量的增加，試驗鋼中位錯密度增大。

圖3 不同冷變形量試驗鋼的大/小角度晶界分布Fig.3 Distribution of large/small angle grain boundaries of test steel with different cold deformations

圖4 不同冷變形量試驗鋼的XRD譜Fig.4 XRD patterns of test steel with different cold deformations

2.2 冷變形對物相組成的影響

XRD譜中衍射峰的高低反映了晶粒取向的強弱。由圖4可以看出：與未冷變形相比，冷變形后試驗鋼的XRD譜中未出現新的衍射峰，說明冷變形未導致新相形成，但是γ(111)和γ(200)衍射峰強度減弱，而γ(220)衍射峰強度增大，這是由于在冷變形過程中晶粒取向改變而導致的。

圖5 不同冷變形量試驗鋼的反極圖Fig.5 Inverse pole figures of test steel with different cold deformations

2.3 冷變形對織構的影響

圖5中的不同顏色代表不同晶粒取向，其中紅色代表〈001〉取向，綠色代表〈101〉取向，藍色代表〈111〉取向。由圖5可以看出：未變形試驗鋼的晶粒取向主要以〈111〉和〈101〉為主，同時存在少量的〈001〉取向；當冷變形量為20%時，試驗鋼晶粒內部出現漸變色，說明部分晶粒發生塑性變形，反極圖z方向上的晶粒取向轉向〈001〉，而〈111〉取向的晶粒數量減少，〈101〉取向的晶粒數量基本保持不變，說明晶粒開始沿著RD方向拉長；當冷變形量為50%時，〈101〉取向的晶粒數量增多，〈111〉取向的晶粒數量繼續減少，晶粒取向主要以〈101〉和〈001〉為主。由此可見，在冷變形中，試驗鋼中的〈111〉，〈001〉取向為不穩定取向，隨冷變形的進行取向變化比較明顯。

通過反極圖難以對織構進行定量分析，只能作定性分析。為了對不同冷變形量下的織構進行定量分析，建立了空間結構的多晶體取向分布函數(ODF)。

由圖6對比圖7[10]可以看出：未變形試驗鋼在歐拉角φ2=0°的截面上出現Rotated cube{001}〈110〉織構，在φ2=45°截面上出現Goss{110}〈001〉織構；當冷變形量為20%時，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構的強度開始減弱，并向新的{110}〈112〉織構和Brass-R{111}〈112〉穩定織構轉變；當冷變形量為50%時，Rotated cube{001}〈110〉織構又開始增強，Goss{110}〈001〉和Brass-R{111}〈112〉織構基本消失。這是因為冷變形量的增加導致生成了大量孿晶，孿晶的形成對取向產生影響，使得Goss織構和Brass-R織構的強度降低[11]。

圖6 不同冷變形量試驗鋼的晶粒取向分布函數截面圖Fig.6 Cross-sectional view of grain orientation distribution function of test steel with different cold deformations

圖7 在φ2=0°和φ2=45°時面心立方晶體織構截面圖Fig.7 Cross-sectional view of face-centred cubic crystal texture at φ2=0° and φ2=45°

2.4 冷變形對力學行為的影響

由圖8可以看出：隨著冷變形量增大，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度提高，斷后伸長率下降；硬度隨冷變形量的增加而增大，試驗鋼產生了明顯的加工硬化現象，并且隨著冷變形量增加硬化速率降低，這與位錯密度增加和孿晶的大量出現有關[12-13]；屈強比與硬度的變化趨勢相同，且冷變形量為50%時，試驗鋼的屈強比約等于1。

將試驗測得的工程應力-工程應變曲線轉換為真應力-真應變曲線(圖9)，采用Hollomon模型來描述其加工硬化行為。Hollomon模型表達式為

圖8 不同冷變形量試驗鋼的力學性能Fig.8 Mechanical properties of test steel with different cold deformations: (a) strength and elongation after facture and(b) yield ratio and hardness

圖9 不同冷變形量試驗鋼的真應力-真應變曲線Fig.9 True stress-true strain curves of test steel with different cold deformations

(1)

式中：σ為真應力；ε為真應變；n為加工硬化指數；K為擬合參數。

利用式(1)對真應力-真應變曲線進行非線性擬合，得到冷變形量為0，20%，50%時試驗鋼的n值分別為0.396，0.306，0.280，K值分別為1 266，1 909，2 499，擬合相關系數均在0.99以上。n決定了金屬材料抵抗塑性變形能力，n值越大，抵抗塑性變形能力越強。由此可見，隨著冷變形量的增大，試驗鋼的n減小，抵抗塑性變形能力減弱。

綜上所述，冷變形使得Sanicro 25奧氏體耐熱鋼的織構發生明顯變化，從而對宏觀力學性能產生顯著的影響。隨著冷變形量的增大，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構強度降低，抗拉強度、屈服強度和硬度增大。

3 結 論

(1) Sanicro 25奧氏體耐熱鋼原始組織中存在少量孿晶和位錯，經冷變形后組織中未產生新相；隨著冷變形量的增加，組織中的位錯密度增加，孿晶數量增多且出現部分孿晶彎曲現象，當冷變形量為50%時，晶粒細化，晶界模糊。

(2) Sanicro 25鋼在反極圖z方向上的晶粒取向〈111〉，〈001〉為不穩定取向，未變形時含有Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構，當冷變形量為20%時，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構逐漸轉變為新的{112}〈110〉織構和Brass-R{111}〈112〉穩定織構，當冷變形量為50%時，Rotated cube{001}〈110〉織構又開始增強，Goss{110}〈001〉和Brass-R{111}〈112〉織構基本消失。隨著冷變形量增加，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構的強度總體呈減弱趨勢。

(3) 隨冷變形量的增大，Sanicro 25鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度都逐漸增大，斷后伸長率下降，在變形過程中發生了明顯的加工硬化；其Hollomon模型中的加工硬化指數隨冷變形量增加而減小，加工硬化現象越發明顯，抵抗塑性變形能力減弱。