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低鎳鉻錳氮凯发真人注册組織與力學性能

來源:至德鋼業 日期:2021-06-06 22:42:54 人气:621

設計了一組不同成分的低鎳鉻錳氮201不鏽鋼管,通過熱軋、退火、冷軋及Gleeble熱模擬,觀察研究了實驗鋼在不同狀態下的顯微組織、力學性能及高溫熱變形行爲的變化規律。結果表明:熱軋後201不鏽鋼管的強度隨固溶溫度的提高而降低,塑性隨固溶溫度的提高而增大,實驗條件下的最佳固溶溫度爲1050℃;冷加工變形量的增大能顯著提高顯微組織中形變馬氏體的含量,增大實驗鋼的強度、硬度和屈強比,降低斷後伸長率,且在實驗範圍內抗拉強度與維氏硬度在數值上呈現近似3倍的關系。熱加工過程中201不鏽鋼管的易裂敏感區間約爲750~950℃,最佳熱加工區間爲1000~1200℃。

鎳是201不鏽鋼管中形成並穩定奧氏體的重要元素,近年來隨著世界鎳資源的日趨緊張以及鎳價的一路高漲,不鏽鋼企業紛紛開始尋求更低廉的鎳替代元素。

現有研究已證明,氮是強烈的奧氏體形成和穩定元素,其形成奧氏體的能力約爲鎳的30倍;錳穩定奧氏體的能力很強,還能提高氮在鋼中的溶解度。利用氮、錳配合代替一部分鎳,可以獲得低鎳的鉻錳氮奧氏體不鏽鋼。楊吉春等通過熱壓縮實驗,發現含有0.4%N的低鎳奧氏體不鏽鋼具有較高的峰值應力和再活化能,不易發生動態再結晶,能夠顯著提高鋼的力學性能。Shilajit等研究了低鎳鉻錳氮201不鏽鋼管的表面质量问题,发现Cr2N和Cr3C1.32No.48沿晶界連續析出,誘發晶界微裂紋的産生,熱軋時鐵素體與奧氏體相界面也容易成爲表面裂紋的起源。趙莉萍等研究了稀土元素镧對低鎳鉻錳氮201不鏽鋼管耐蚀性的影响,发现钢的耐蚀性随镧含量的增加先增大后减小,耐蚀性最好的低镍铬锰氮201不鏽鋼管中镧含量为0.0049%

201不鏽鋼管是一類典型的低鎳鉻錳氮不鏽鋼,其在強度、塑性及一般條件耐蝕性方面可與304不鏽鋼媲美。美國的200系不鏽鋼體系標准比較豐富,而我國最新的不鏽鋼板帶材標准中已經不再將AISI201、AISI202相對應的牌號納入,因此本文參考美標的AISI201不锈钢成分,設計了一組不同成分的低鎳鉻錳氮奥氏体不锈钢,研究其组织和力学性能。

實驗材料與方法

爲了改善傳統201不鏽鋼管的耐蝕性和加工性,實驗鋼在美標AISI201不鏽鋼管成分體系的基礎上降低了碳含量,並添加了一定量的銅。實驗鋼在50kg真空感應爐內冶煉,得到的鑄坯成分經檢測如表1所示。

3組實驗鋼均屬于典型的亞穩態奧氏體不鏽鋼,主要區別在于碳含量不同,冷變形過程中會産生大量的形變誘導馬氏體(&'-馬氏體),出現加工硬化現象[6。利用這一特點,可以通過不同程度的冷變形,獲得不同強度等級的不鏽鋼産品。圖1所示爲通過Thermo-Calc計算的該成分體系下的相比例圖。從圖中可以看出,在設計成分範圍內,1000~1250℃區間進行熱加工不會發生相變,可以保證爲單相奧氏體。

鑄坯經鍛造、熱軋、退火、冷軋,分別得到不同狀態下的實驗材料。對熱軋、熱軋退火及冷軋後的實驗鋼,分別加工成拉伸試樣和金相試樣,進行常規力學性能檢測及顯微組織觀察;在熱軋板上加工Gleeble熱拉伸試樣,進行熱拉伸實驗,研究實驗鋼的高溫變形行爲。

實驗結果與分析

組織與力學性能

鑄坯經過熱軋至4.5mm,取樣分別在1050、1080、1100和1120℃固溶處理15min後水冷,其室溫力學性能的變化如圖2所示。

從圖2中看出,隨著固溶溫度的提高,實驗鋼的抗拉強度和屈服強度都呈下降趨勢,而斷後伸長率急劇上升。以屈服強度爲例,只有固溶溫度小于1080℃時3組實驗鋼的屈服強度才全部大于300MPa,而且S1的強度要明顯高于S2和S3。這是由于S1的碳含量更高,碳是影響不鏽鋼強度的重要元素,較高的碳含量能顯著提高不鏽鋼的強度。實驗

鋼的塑性隨固溶溫度的提高也得到了明顯提升,S1和S2的伸長率在1120℃時已經接近70%。值得注意的是,在強度最高時,實驗鋼也能擁有較好的塑性(>60%)

AISI201是一種節鎳的不鏽鋼,其潛在的一個應用領域是軌道客車,而目前軌道車輛采用的主流不鏽鋼産品是AISI301不鏽鋼。將S1、S2、S3與AISI201、AISI301的力學性能進行對比,如表2所示,可以看出S1、S2、S3的常溫力學性能明顯優于AISI201和AISI301,在力學性能方面能夠勝任替代AISI301的任務。

將熱軋實驗鋼在1050℃固溶處理15min,經噴砂處理後,分別進行10%~50%壓下量的冷軋,得到實驗鋼的加工硬化曲線,如圖3所示。從圖中可以看出,随着冷变形量的增大,抗拉强度和屈服强度均有较大幅度的提高,变形量达到50%時,抗拉強度較固溶態時提高了1倍,達到1500MPa,屈服強度提高了3倍,達到1400MPa,屈強比從0.46增大到0.93,逐漸趨近于1。表征塑性的斷後伸長率隨著冷變形量的增大由固溶態的64%急劇減小到6%以下。

實驗鋼熱塑性隨溫度的變化有所差異:在600~1000℃時,由于發生一定的頸縮,第二相的析出緩慢,因此實驗鋼的斷面收縮率平緩上升,增幅不大;溫度大于1000℃之後,由于成分的不同,實驗鋼的熱塑性表現出不同的變化趨勢。S1實驗鋼在1000~1300℃之間的斷面收縮率呈現震蕩上升的趨勢,其中1050℃時斷面收縮率顯著高于1000℃和1100℃,1250~1300℃之間無明顯變化,而1300℃之後斷面收縮率又急劇下降,這是因爲S1實驗鋼在1000~1300℃之間處于奧氏體單相區,無相變發生,塑性得以保持良好,而1300℃之後由于高溫過燒和相變的發生,導致塑性急速下降。S2實驗鋼的斷面收縮率最大值出現在1150℃,之後熱塑性隨溫度升高迅速惡化,這說明在1000~1150℃區間爲S2實驗鋼的高溫塑性區,1150℃之後爲高溫脆性區。S3實驗鋼的斷面收縮率整體呈現逐漸上升的趨勢,1100℃之後熱塑性不再有劇烈變化,這表明1300℃之前S3實驗201不鏽鋼管均處于高溫塑性區域,原子擴散對應力集中有較強的調節作用,可以經受較大的塑性變形。

根據變形抗力與斷面收縮率變化曲線,可以指導實際生産中熱加工溫度區間的選擇,使鋼在變形抗力較小時擁有較高的塑性,減少開裂傾向,提高生産質量。有學者針對Al脫氧鋼提出了易裂敏感區間的概念,即在此区间内钢的强度较低,塑性较差,加工过程中易产生裂纹。易裂敏感區間的确定是将断面收缩率曲线与高温变形抗力曲线的交点向高温方向推50℃,向低溫推100℃所形成的溫度區間,而兩條曲線的交點溫度則稱爲易裂敏感點。根據這一研究,分別將3组實驗201不鏽鋼管的高温变形抗力曲线与高温热塑性曲线相交,得到其易裂敏感點分别为800、900和900℃,如圖6中A、B、C3点所示,据此實驗钢的易裂敏感區間約爲750~950℃,最佳熱加工區間分別爲1000~1200℃。

3結論

1)随着固溶温度的升高,热轧實驗钢的强度逐渐提高,断后伸长率逐渐减小,實驗条件下最佳的固溶温度为1050℃,此時S1、S2、S3的抗拉強度分別爲674、671和667MPa,屈服強度分別爲321、313和307MPa,斷後伸長率分別爲62.2%、63.8%、64.2%

2)在冷变形过程中,随着变形量的增大,實驗钢的强度、硬度提高,塑性降低,当变形量达到50%時,S1、S2、S3的抗拉強度分別爲1563、1486和1534MPa,屈服強度分別爲1460、1370和1414MPa,維氏硬度分別爲514、496、483,斷後伸長率分別爲5.75%、5.81%、8.69%,屈強比分別爲0.93、0.92、0.92,平均抗拉強度與平均維氏硬度的比值是近似3的常數;

3)在冷变形过程中,随着变形量的增大,實驗钢中的马氏体含量逐渐增多,并与变形量之间呈S型曲線關系;

4)在熱加工過程中,S1、S2、S3的易裂敏感區間为750~950℃,穩定高溫塑性區爲1000~1200℃。


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