增氮降镍对316不锈钢管高温拉伸性能的影响

2020-07-06 17:04:39

 浙江至德钢业有限公司利用Gleeble-1500D热模拟机对不同成分316不锈钢管分别在950、1000、1050、1100℃以0.05 s-1的应变速率下进行高温拉伸试验,通过分析试验曲线、断口形貌、变形区以及未变形区组织,研究增氮降镍对试验钢高温拉伸性能的影响。结果表明,增氮降镍使单位截面的杂质偏聚数量上升,恶化了试验钢的断口形貌,从而降低了钢材的热塑性,断面收缩率平均下降了37.5%;增氮降镍使钢材的抗拉强度平均提高了42.5%。


(07Cr17Ni12Mo2)316不锈钢管是继304不锈钢管之后广泛应用的18-8不锈钢管中的一种,其特点是在钢中额外添加了耐腐蚀性能的钼元素。该类钢具有良好的综合性能,因此在医用品、食品、石油、化工、海洋等领域都有广泛的使用。但由于镍资源匮乏,成本较高,所以在保证性能的前提下,降低奥氏体不锈钢中镍元素的含量,是目前工业生产的主要发展方向。研究发现:氮是强烈的奥氏体形成元素,具有稳定奥氏体组织的作用;可以提高奥氏体不锈钢的强度以及耐腐蚀性。因此对低镍Cr-Mn-Ni-N不锈钢、高氮无镍Cr-Mn-N资源节约型不锈钢已经开展了研究。浙江至德钢业有限公司在316不锈钢成分的基础上增加氮元素并降低镍元素的含量,利用Gleeble-1500D热模拟机对试验用钢进行高温拉伸试验,通过分析其抗拉强度、断面收缩率、断口形貌、变形区和未变形区的组织,研究增氮降镍对试验钢高温力学性能的影响。


 试验材料与方法试验用钢在30kg真空感应炉内冶炼,通过常压充氮以及二次布料加入氮化物的方式控制试验钢成分,其化学成分如表所示。将试验钢锭加热到1200℃,保温2小时,待钢锭温度均匀后,用400kg空气锤锻造成25mm×25mm方坯,开锻温度为1150~1160℃,终锻温度≥930℃,冷却方式为空冷。然后对锻后的试验钢进行1100℃保温1小时的固溶处理,并快速冷却以减少碳化物、氮化物及碳氮化合物等析出。将固溶处理后的试验用钢用钼丝切割机加工成6mm×106mm的圆柱,在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行高温拉伸试验。试样以20℃/s的加热速率加热至1150℃,保温2分钟以消除加热不均匀引起的温度梯度,再以10℃/s的速率分别降温至1100、1050、1000、950℃,最后以0.05 s-1的应变速率进行拉伸直至断裂。


 一、高温拉伸性能


  图为试验钢的高温热塑性曲线,由图可知,1号试样在950、1000、1050℃拉伸时随着温度的提高断面收缩率提高,分别为47%、50%、59%,在1100℃时,1号试样的断面收缩率达到57%,比1050℃时略有降低;2号试样在950、1000、1050、1100℃时随着温度的提高断面收缩率也提高。在相同的温度下比较1号、2号试样发现2号试样的断面收缩率均低于1号试样,增氮降镍降低了试验钢的热塑性。从图中还可以发现,在950、1000、1050、1100℃时,随着拉伸温度的上升试验钢的抗拉强度逐渐下降;2号试样4个测试点温度的抗拉强度均高于1号试样,在950℃时2号试样抗拉强度为209 MPa,比1号试样152 MPa增加57 MPa,增幅较大。具体试验数据见表。氮原子半径比铁原子小,固溶在基体中能够产生很大的畸变能,致使系统的能量升高,同时聚集在晶界上的氮化物占据了晶界中的畸变区,阻碍了晶界的滑动,晶界裂纹不易形成,所以通过固溶强化和晶界强化可以提高试验钢的强度。氮元素可以增大奥氏体晶粒的尺寸,使晶界相对面积减小,单位面积杂质元素偏聚量上升,不利于试验钢的高温热塑性。另一方面,镍元素也有提高强度、改善韧性的作用,但程度远不及氮元素对试验钢的影响。通过计算得到2号试验钢相比1号试验钢分别在950、1000、1050、1100℃时断面收缩率和抗拉强度的变化值,然后再对4个温度下断面收缩率和抗拉强度的变化值求平均值,得到增氮降镍后强度平均提高了42.5%,断面收缩率平均下降了37.5%。


二、断口形貌和显微组织


  图为试验钢在1000、1100℃下高温拉伸变形后的断口形貌。从图中可以看出,1号、2号试验钢断口类型以微孔聚集型为主。1号试验钢高温拉伸断口在1000℃时的韧窝大小均匀,1100℃时韧窝变得大而深,撕裂变形明显,塑性提高。从2号试验钢高温拉伸断口上可见,断面撕裂程度不如1号试验钢,大韧窝附近的小韧窝变得细小,并在大韧窝间出现微量无明显塑性变形的延伸区。通常材料的韧窝大而深说明塑性越好,所以1号试验钢的塑性较好。试验钢在1100℃时的韧窝数量及尺寸均高于1000℃,是因为温度越高,原子之间变得活跃,有利于改善高温热塑性。图3为试验钢在1100℃高温拉伸变形区和未变形区的显微组织。从图中可以看出1号试验钢和2号试验钢均为单一的奥氏体组织。高温拉伸时,裂纹优先在夹杂和晶界薄弱处形成[10],并沿着塑性延伸方向扩展、聚集,当变形达到一定程度后,形成长条线状裂纹,致使试样断裂。在1100℃高温拉伸试验后,1号试验钢比2号试验钢未变形区组织细小,晶界面积相应增大,单位晶界面积上偏聚的杂质原子数量相应减少,所以提高了试验钢的热塑性。变形区奥氏体晶粒均沿拉伸方向变形,1号试验钢变形程度大于2号试验钢。


三、断口夹杂


  图为试验钢在1000℃断口夹杂物的扫描形貌及能谱图。观察图发现,夹杂物均出现于韧窝底部,尺寸在3μm以下,以颗粒状弥散分布。1号试样中,夹杂物主要为硫的金属化合物,本试样中含有较多的锰元素,故夹杂物以硫锰化合物为主;2号试样中,主要以氮化铬、氧化铬为主,有少量硫锰化合物存在。2号试样的夹杂物数量高于1号试样,是因为固氮元素铬容易与氮结合生成氮化铬夹杂,氮化物优先偏聚在晶界处。


四、结论


 1. 在950~1100℃温度范围内,试验钢随着温度的升高,断面收缩率逐渐提高,随着温度的升高,抗拉强度逐渐下降;增氮降镍后试验钢的断面收缩率平均下降了37.5%,抗拉强度平均提高了42.5%。


 2. 增氮降镍使316不锈钢管奥氏体晶粒尺寸增加,单位面积杂质偏聚增多,恶化了试验钢的断口显微形貌,降低了钢材的热塑性。


 3. 增氮降镍的试验316不锈钢管夹杂物主要以氮化铬、氧化铬为主,有少量硫锰化合物存在。


 4. 在1050℃时,增氮降镍不显著损害试验用316不锈钢管的热塑性,同时表现出优异的热强性。


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