不銹鋼高溫組織的研究進(jìn)展

不銹鋼高溫組織的研究進(jìn)展

德國苯水處理和原子能工業(yè)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼的焊接性、耐蝕性和高溫抗氧化性等開展了深入的研究；此外，在不銹鋼功能性方面(抗菌、超軟、生物相容性等)和節(jié)鎳方面(低鎳、無鎳)也有諸多研究。近年來隨著研究手段的進(jìn)步，在不銹鋼高溫相變、高溫組織預(yù)測和高溫塑性等方面開展的相關(guān)研究，為新型不銹鋼的研發(fā)以及不銹鋼生產(chǎn)中控制熱裂紋等缺陷提供了理論依據(jù)。本文重點(diǎn)綜述國內(nèi)外在奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼高溫組織和高溫力學(xué)性能方面的最新研究成果。1不銹鋼的組織演變鐵-鉻二元相圖是不銹鋼的基礎(chǔ)，根據(jù)組織可將不銹鋼分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼，在加熱過程中，不同的溫度將發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變(包括各種析出相)。1.1晶粒原位觀察奧氏體不銹鋼是在高鉻不銹鋼中添加適當(dāng)?shù)逆?即含Cr量為18%，Ni為8%～25%)，屬Fe-Cr-Ni系合金和Fe-Cr-Ni-Mn系合金，即美國AISI300系和美國AISI200系。高溫鐵素體(δ)是不銹鋼奧氏體(γ)與液相(L)之間的中間相，加熱到1300℃以上發(fā)生γ→δ、γ→δ+L與δ→L相變。δ相對(duì)不銹鋼力學(xué)性能將產(chǎn)生不利影響，使鋼加熱時(shí)熱裂傾向加劇。δ相的形態(tài)、尺寸、體積分?jǐn)?shù)、分布等直接影響到隨后冷卻過程中δ→γ固相轉(zhuǎn)變。共焦激光掃描顯微鏡(CLSM)原位觀察的方法是研究δ形核長大行為的有效方法。奧氏體不銹鋼主要通過細(xì)化晶粒來減少δ含量，而升溫速率對(duì)δ晶粒尺寸有顯著影響。304奧氏體不銹鋼在1460℃，升溫速率為100℃/min時(shí)γ相消失，組織全部由γ和L兩相組成，且L相優(yōu)先在δ/δ界面形成，隨溫度進(jìn)一步提高，δ相不斷被L相蠶食；當(dāng)升溫速率為150℃/min時(shí)，γ晶粒內(nèi)出現(xiàn)大量棒狀/橢圓狀的δ相，且δ晶粒尺寸遠(yuǎn)小于100℃/min時(shí)的尺寸。這是由于加熱速率越大，過熱度越大，δ相的形核功降低，從而顯著提高了δ相的形核率。要減少或消除δ相最有效的辦法是提高鋼中奧氏體形成元素的含量。Ni是奧氏體形成的主加元素，[Ni]=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu;Cr是鐵素體形成的主加元素，[Cr]=Cr+1.5Mn+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W。在高溫下Cr含量小于12%時(shí)發(fā)生α→γ轉(zhuǎn)變，Cr含量大于13%時(shí)不發(fā)生任何相變；而Ni是γ相形成元素，可擴(kuò)大γ相區(qū)。當(dāng)Cr當(dāng)量增加時(shí)，δ相含量增加；當(dāng)Ni當(dāng)量增加時(shí)，δ相含量減少，控制Cr/Ni當(dāng)量比即可控制鋼中的δ相含量。1.2加熱溫度對(duì)邊裂產(chǎn)生的影響鐵素體不銹鋼的含Cr量一般為12%～13%，為體心立方結(jié)構(gòu)的鐵基合金，在高溫下析出σ相。σ相是富Cr的脆性金屬相，析出溫度為500～800℃。由于鐵素體不銹鋼存在475℃脆性，在900℃以下加熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)σ相使鋼的硬度增加，塑韌性顯著降低，為減少軋制時(shí)邊裂可通過控制加熱溫度來進(jìn)行改善；在900℃以上加熱時(shí)析出的σ相可重新被固溶，隨后快速冷卻又可避免475℃脆性。在高溫下鐵素體不銹鋼存在鐵素體與奧氏體的兩相區(qū)，兩相組織的存在將降低鋼的熱塑性，由于在熱加工過程中，鐵素體變形時(shí)軟化主要靠動(dòng)態(tài)回復(fù)，而奧氏體變形時(shí)主要靠動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。為控制邊部裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)該減少第二相的比例，使得某一相占主導(dǎo)地位。410S鋼當(dāng)溫度超過1100℃時(shí)，鐵素體的比例顯著增加；對(duì)于430鋼當(dāng)溫度低于1100℃時(shí)，奧氏體體積分?jǐn)?shù)為25%～35%。T91鋼在950～1050℃時(shí)，晶粒迅速長大，變形的不均勻性和部分再結(jié)晶引起的組織不均勻性均使塑性下降；溫度繼續(xù)升高到1100～1200℃時(shí)，再結(jié)晶進(jìn)行完全可獲得均勻的奧氏體組織；溫度超過1200℃時(shí)，鐵素體量迅速增加并呈網(wǎng)狀分布。1.3固溶過程中相的變化雙相不銹鋼是顯微組織為面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體相(γ相)和體心立方的鐵素體相(α相)，并且鐵素體的體積分?jǐn)?shù)小于10%的不銹鋼。σ相是雙相不銹鋼中最有害的一種析出相，主要由Fe-Cr-Mo等元素構(gòu)成，是一種硬而脆的金屬間相，相中富積了Cr、Mo等主要合金元素。因此分析σ相析出過程、長大機(jī)制以及對(duì)力學(xué)性能的影響顯得尤為重要。當(dāng)溫度低于900℃時(shí)，σ相析出速度最快，溫度高于900℃時(shí)，σ相析出速度較慢，σ相重新被固溶，對(duì)韌性的影響較弱。雙相不銹鋼中的金屬間相還有χ相、R相、α相、π相和Fe3Cr3Mo2Si2相等，這些相都是脆性相，它們的析出必然會(huì)導(dǎo)致雙相不銹鋼的熱塑性降低。雙相不銹鋼的熱加工區(qū)間是γ和δ共存的兩相區(qū)，故需探討凝固過程中δ向γ的轉(zhuǎn)變情況。然而，受測試手段限制，以往對(duì)高溫下δ和γ的組織形態(tài)及其相變行為的研究只能借助熱處理等間接實(shí)驗(yàn)完成，不能實(shí)時(shí)地對(duì)高溫組織做出觀察分析。但利用CLSM可以觀察到：當(dāng)冷卻速度較高時(shí)，γ優(yōu)先在δ晶界上析出并迅速向δ內(nèi)部長大，其形狀以針狀為主；冷卻速度較低時(shí)，γ優(yōu)先在δ晶界上析出，呈片狀，γ端面在向δ內(nèi)部長大的同時(shí)，其側(cè)面也不斷長大，相變過程中伴隨著δ晶界的遷移。γ相和α相的含量及分布對(duì)雙相不銹鋼的力學(xué)性能有很大的影響，利用CSLM進(jìn)行原位觀察發(fā)現(xiàn)，在900～1250℃高溫條件下γ相隨溫度的升高而降低，利用γ相含量(%)=76.5-0.032T可進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算。而固溶溫度也會(huì)對(duì)相比例產(chǎn)生影響，隨固溶處理溫度提高，鋼中α相比例增加，γ相比例下降。在冷卻凝固過程中由于成分偏析造成鐵素體與奧氏體晶界處δ相偏聚導(dǎo)致硬度偏高；高溫加熱時(shí)α相數(shù)量明顯增加，γ相急劇減少。固溶處理后δ相會(huì)向γ相轉(zhuǎn)變使δ/γ界面穩(wěn)定，避免了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。經(jīng)不同溫度的固溶處理后，原魏氏組織特征已逐漸變得不明顯，碳化物逐漸固溶于α和γ相內(nèi)，并隨固溶溫度的逐漸升高，γ相的數(shù)量逐漸減少，α相的數(shù)量逐漸增加。在1050℃固溶處理時(shí)發(fā)現(xiàn)α和γ相的比例接近于1∶1，具有這種比例的雙相不銹鋼具有較好的綜合性能。1.4時(shí)效不銹鋼固溶法沉淀硬化不銹鋼是一類含沉淀硬化元素(Cu、Al、Ti、Nb)的鐵鉻鎳合金，近幾年以馬氏體型沉淀硬化不銹鋼研究的較多。如17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼經(jīng)過固溶處理后時(shí)效，在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷處形成析出富銅聚團(tuán)，逐漸長大形成共格相，隨時(shí)效溫度升高及時(shí)間的延長，顆粒長大成為獨(dú)立的富銅相(ε-Cu)。因?yàn)樵?50℃以下時(shí)效形成銅原子團(tuán)聚；在450～480℃時(shí)效基體中產(chǎn)生均勻分布的細(xì)小沉淀；時(shí)效溫度高于500℃時(shí)富銅相由小球狀長成短條狀。室溫組織為回火馬氏體、少量鐵素體、彌散分布的富銅相和少量的NbC小顆粒。δ-鐵素體是一種體心立方晶體結(jié)構(gòu)而基體在高溫呈面心立方晶體結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)在外力的作用下(軋制、鍛造)，晶格間產(chǎn)生嚴(yán)重錯(cuò)位導(dǎo)致熱加工裂紋。根據(jù)17-4PH平衡相圖，隨加熱溫度的升高，δ通過擴(kuò)散而溶入單相奧氏體區(qū)，加熱溫度升高到1150℃以上，δ又重新形成。若在高溫固溶處理中避免其在高溫段進(jìn)入δ+γ雙相區(qū)，在γ單相區(qū)內(nèi)延長保溫時(shí)間讓?duì)脑诖藚^(qū)間充分轉(zhuǎn)變，并且在冷卻過程中快速冷卻盡量減少δ可避免這一現(xiàn)象。馬氏體時(shí)效不銹鋼固溶處理的組織為單一的奧氏體，組織中不應(yīng)有未溶相，也不允許奧氏體晶粒過于粗大或出現(xiàn)孿晶。如0.007C-13Cr-7Ni-4Co-2W在固溶處理過程中有兩種析出相析出，在800℃固溶處理時(shí)基體組織為奧氏體以及0.03%未溶的TiC存在和6.79%的Laves-Fe2Mo相析出；隨著固溶溫度的升高，TiC和Laves相的數(shù)量逐漸減少，TiC在950℃以上、Laves-Fe2Mo相在1050℃以上相繼全部溶解到奧氏體中。1.5殘余持續(xù)劑量的確定馬氏體不銹鋼中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.5%～18.0%，但碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)0.6%，是一類可硬化的不銹鋼，為獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，希望馬氏體不銹鋼的基體為馬氏體組織，鋼中的殘余奧氏體應(yīng)盡量少。影響鋼中殘余奧氏體數(shù)量的主導(dǎo)因素是馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(Ms點(diǎn))和熱處理工藝，溫度越高，鋼中殘余奧氏體的含量減少，馬氏體含量增加。Ms可用式(1)表示：Cr含量的提高可使Ms下降，提高奧氏體基體組織的穩(wěn)定性。通過調(diào)整鋼中的鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量來降低或消除馬氏體不銹鋼中的鐵素體含量。熱處理會(huì)對(duì)Ms產(chǎn)生影響，采用不同的奧氏體化溫度和一次回火可達(dá)到提高M(jìn)s點(diǎn)溫度的目的。2變形速率對(duì)不銹鋼變形的影響由于傳統(tǒng)的拉伸試驗(yàn)機(jī)只能得到工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，不能測定材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變，近幾年國內(nèi)外對(duì)不銹鋼高溫力學(xué)性能方面主要是利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)和高溫拉伸試驗(yàn)，對(duì)不銹鋼在高溫變形過程中的靜態(tài)再結(jié)晶與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、變形抗力、熱塑性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中熱加工工藝的制定和優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。影響熱變形的主要因素有變形溫度、應(yīng)變速率和變形量,其中變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)熱變形過程的影響更顯著。變形溫度及應(yīng)變速率對(duì)變形抗力的影響可用式(2)表示：式中：σ為變形抗力，σ0為變形抗力基值，T為變形溫度，ε觶為變形速率，ε為變形程度，b1～b5為回歸系數(shù)。(1)當(dāng)變形程度一定，在相同的應(yīng)變速率情況下，隨溫度的升高變形抗力下降。以0.5s-1的應(yīng)變速率對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行熱壓縮變形，950℃時(shí)的流變應(yīng)力為218MPa，而1250℃時(shí)的流變應(yīng)力為56MPa，相差3倍以上。馬氏體不銹鋼熱加工時(shí)與奧氏體不銹鋼不同的是，當(dāng)變形程度超過0.4時(shí)，隨溫度的升高，變形抗力呈線性下降，溫度每升高50℃，不銹鋼的變形抗力下降26MPa。(2)在變形溫度相同的情況下，應(yīng)變速率越小，鋼中的奧氏體和鐵素體發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越充分，因而軟化過程就越顯著，變形抗力隨之減??；同時(shí)，峰值應(yīng)力和流變應(yīng)力也隨應(yīng)變速率的減小而下降。童駿對(duì)00Cr25Ni7Mo4N超級(jí)雙相不銹鋼進(jìn)行研究，變形溫度為1200℃時(shí)應(yīng)變速率從0.1s-1增加到10s-1，峰值應(yīng)力從32MPa增加到102MPa。毛偉強(qiáng)對(duì)00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼進(jìn)行研究，當(dāng)變形量為70%，應(yīng)變速率由10s-1提高到50s-1時(shí)，在900～1200℃各試驗(yàn)溫度均可發(fā)現(xiàn)其峰值應(yīng)力提高了40～60MPa，這是由于在高的應(yīng)變速率下，兩相的應(yīng)變分布將變得很不均勻，鐵素體獲得的應(yīng)變受到奧氏體的阻礙而出現(xiàn)不連續(xù)地軟化，從而使應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生波浪形的狀態(tài)。Lee對(duì)316L應(yīng)變速率從10-3s-1增加到7.5×103s-1時(shí)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變速率增加時(shí)真應(yīng)力、加工硬化率和應(yīng)變率敏感性有較大差異,隨著局部變形程度的增加，晶粒尺寸逐漸減小，應(yīng)變速率不斷增加；大的應(yīng)變速率改善鋼在1300℃以上的力學(xué)性能，大大增加其塑性。(3)當(dāng)變形溫度一定，在相同的應(yīng)變速率情況下，應(yīng)變量增加超過一定值后，應(yīng)力變化趨于平緩，對(duì)變形抗力的影響不是很明顯。奧氏體不銹鋼在變形初期階段，隨變形量的增加變形抗力上升很快，當(dāng)應(yīng)變量大于0.3后應(yīng)變量的增加對(duì)變形抗力的影響不是很明顯；鐵素體不銹鋼與之類似，變形程度較小時(shí)只發(fā)生回復(fù)現(xiàn)象，但達(dá)到臨界值(0.2左右)時(shí)，發(fā)生再結(jié)晶長大；馬氏體不銹鋼由于Cr、Ni元素的固溶強(qiáng)化作用明顯提高鋼的變形抗力，當(dāng)變形程度小于0.5時(shí)，隨變形量的增加變形抗力上升，而大于0.5時(shí)，由于變形引起的溫度抵消一部分加工硬化的影響，隨變形程度的增加僅使變形抗力略有增加。目前發(fā)展較快的是基于動(dòng)態(tài)材料模型建立在常見形變量之下的熱加工圖。熱加工圖是η-T-ε的變化規(guī)律，能量消耗效率η取決于熱變形溫度T和應(yīng)變效率ε，它可以定量描述合金的熱加工過程中組織變化特性。王艷等研究高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼的熱加工圖發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變量對(duì)其熱加工圖的形狀影響不大，不同應(yīng)變量下的熱加工圖形狀相似；變形溫度及應(yīng)變速率不同，η值明顯不同，隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，η值逐漸增加，即合金的動(dòng)態(tài)能量消耗能力增強(qiáng)。近幾年，研究奧氏體不銹鋼熱加工數(shù)學(xué)模型方面的較多，主要針對(duì)其在熱加工中發(fā)生的各類物理現(xiàn)象，應(yīng)用于數(shù)學(xué)模擬可進(jìn)一步分析變形溫度、變形參數(shù)與流變應(yīng)力、再結(jié)晶及再結(jié)晶晶粒度之間復(fù)雜的關(guān)系，為建立一個(gè)較為全面的針對(duì)工業(yè)多道次軋制工藝下的數(shù)字模型，以及如何應(yīng)用于數(shù)