馮兆龍 楊 澍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南471039)

奧氏體不銹鋼約占不銹鋼總產(chǎn)量使用量的70%[1]。對(duì)于奧氏體不銹鋼，既要有足夠的力學(xué)性能，又要保證在使用時(shí)其微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性符合要求。本文除對(duì)新型奧氏體不銹鋼鍛鋼DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N固溶處理后的組織和室溫下的拉伸性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究外，還簡(jiǎn)單介紹了其耐晶間腐蝕性能，為該類鋼的實(shí)際生產(chǎn)和使用提供了參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用高氮新型奧氏體不銹鋼為DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N。采用100 kg感應(yīng)爐冶煉，去冒口并電渣重熔后鍛成厚度為20 mm的板材，然后進(jìn)行1 050℃、40 min的固溶處理。拉伸試驗(yàn)在液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)DLY-100上進(jìn)行，拉伸速度為3 mm/min，用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

試驗(yàn)材料固溶處理后的顯微組織見(jiàn)圖1。組織為單一的奧氏體相，但含有部分的夾雜物，級(jí)別為D3.5級(jí)，晶粒度為6.0級(jí)。從圖中可以看出，有許多孿晶出現(xiàn)。由于加入了部分N元素，N的增加有助于奧氏體中孿晶的形成。材料中Mn含量較高，而Mn會(huì)降低層錯(cuò)能，即降低了生成層錯(cuò)的能壘，有助于增加層錯(cuò)和晶內(nèi)孿晶形成[2]。

圖1 金相組織 200×Figure 1 The metallographic structure

2.2 拉伸性能

DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N在室溫下的拉伸性能見(jiàn)表1。從數(shù)值上看，此材料在室溫下具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。該新型奧氏體不銹鋼的屈強(qiáng)比為0.56，成型性較好。N元素提高強(qiáng)度的作用比C及其它合金元素都強(qiáng)。N元素減少奧氏體中密排不完全位錯(cuò)、限制了含間隙雜質(zhì)原子團(tuán)的Splintered位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。每加入0.1%的N就可以使Cr-Ni奧氏體不銹鋼的室溫強(qiáng)度(Rp0.2，Rm)提高(60～100)MPa[3]。含N鋼的屈服強(qiáng)度由基體強(qiáng)度、N原子間隙固溶強(qiáng)化兩部分組成。加N后，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率略有降低。這是N的間隙強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化造成的。戴起勛等人[4]首次得到兩個(gè)強(qiáng)度計(jì)算式：

(1)

(2)

按此公式計(jì)算出的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，排除計(jì)算公式本身的誤差、材料性能的偶然性及夾雜物的影響，其數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值比較接近，分別為372 MPa和675 MPa，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。由載荷-位移曲線轉(zhuǎn)換成的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2所示。對(duì)于穩(wěn)定的鋼或有色金屬，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線一般有3種：連續(xù)過(guò)渡型、均勻屈服型和非均勻屈服型。普通的奧氏體不銹鋼在常溫下不具有明顯的屈服現(xiàn)象，從圖中也可以看出，該新型奧氏體不銹鋼拉伸曲線也沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)，而是彈性變形后直接就產(chǎn)生了塑性變形。

表1 基本力學(xué)性能Table 1 The main mechanical properties

圖2 試驗(yàn)材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 The curve of tensile stress and strain of testing material

金屬材料在拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的均勻塑性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系式：S=Ken。式中S為真實(shí)應(yīng)力，e為真實(shí)應(yīng)變，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，K為硬化系數(shù)，是真實(shí)應(yīng)變等于1.0時(shí)的真實(shí)應(yīng)力。應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)變形的能力，是表征金屬材料應(yīng)變硬化的性能指標(biāo)。為得到此新型奧氏體不銹鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)n，在均勻塑性變形階段等距離取9個(gè)應(yīng)變水平，記錄相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)數(shù)據(jù)對(duì)，然后按S=σ(1+ε)及e=ln(1+ε)計(jì)算真應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)。作lnS與lne關(guān)系曲線，結(jié)果見(jiàn)圖3，曲線的斜率就是應(yīng)變硬化指數(shù)。從添加的趨勢(shì)線性方程可知，該奧氏體不銹鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)為0.45。大多數(shù)金屬的n值為0.1～0.5，而且應(yīng)變硬化指數(shù)與層錯(cuò)能有關(guān)。層錯(cuò)能較低，不易滑移，位錯(cuò)在障礙附近產(chǎn)生的應(yīng)力集中水平要高于層錯(cuò)能高的材料。因而，n值隨層錯(cuò)能的降低而增加，并且滑移特征由波紋狀變?yōu)槠矫鏍睢?/p>

圖3 lnS與lne的關(guān)系Figure 3 The relation of lnS and lne

2.3 斷口形貌

實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)固溶處理、水淬后，室溫下是純奧氏體組織，韌性非常好。拉伸斷口見(jiàn)圖4、圖5。斷口上布滿了韌窩，是典型的韌性斷裂纖維區(qū)的特征。由于奧氏體不銹鋼塑性好，在應(yīng)力作用下(1 1 1)面上的位錯(cuò)滑移、層錯(cuò)擴(kuò)展，從而釋放了壓力，在宏觀上具有較好的均勻塑性變形能力。奧氏體具有較高的加工硬化能力，隨著形變的進(jìn)行，不同滑移面或不同滑移方向上形成的滑移帶相交處，因應(yīng)力集中而產(chǎn)生微孔，繼而擴(kuò)大成為微裂紋，斷裂時(shí)留下蜂窩狀的特征，如圖4所示。韌窩底部有塊狀?yuàn)A雜物存在，基體受力時(shí)，大塊的夾雜物的周圍是薄弱環(huán)節(jié)，即為裂紋的發(fā)源地之一。見(jiàn)圖5。在實(shí)驗(yàn)中用能譜儀對(duì)夾雜物的成分進(jìn)行了鑒別，結(jié)果顯示該夾雜物主要是MnS及部分氧化物的混合物。凈化材料，減少夾雜物，可以進(jìn)一步提高材料的抗拉強(qiáng)度。

2.4 晶間腐蝕試驗(yàn)

不銹鋼具有抗腐蝕能力的必要條件是鋼內(nèi)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于13%。但在某些條件作用下，其晶界(晶粒之間)會(huì)形成含Cr量少于13%的“貧Cr區(qū)”，在腐蝕性介質(zhì)的作用下，晶界貧Cr區(qū)的金屬就失去抗腐蝕能力而形成晶間腐蝕。

圖4 拉伸斷口SEM形貌Figure 4 The tensile fracture SEM appearance

圖5 夾雜物的SEM形貌Figure 5 The inclusions SEM appearance

采用硫酸-硫酸銅腐蝕介質(zhì)對(duì)該奧氏體不銹鋼進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，經(jīng)48 h腐蝕后作180°的彎曲試驗(yàn),然后進(jìn)行表面宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。其主要原因是鋼板中除加入了適量N元素外，還加入了Nb作為穩(wěn)定化元素，在鋼中形成沉淀相。在細(xì)化晶粒的同時(shí)，其與C相結(jié)合的能力比Cr要強(qiáng)，能夠與C結(jié)合而生成穩(wěn)定的碳化物，從而避免了在奧氏體晶界形成貧Cr區(qū)。

綜上所述，所研制的新型奧氏體不銹鋼DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N除具有良好的力學(xué)性能外，還具有較好的抗晶間腐蝕性能。

3 結(jié)論

(1)該鋼固溶處理后的組織為單一的奧氏體組織，并有大量孿晶出現(xiàn)，N的加入有助于奧氏體中孿晶的形成。

(2)該鋼室溫拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)，具有很高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性的同時(shí)，具有良好的抗晶間腐蝕性能。

(3)室溫下拉伸斷口為韌性斷口，球塊狀?yuàn)A雜物是裂紋的主要發(fā)源地，凈化材料可以進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度。

[1] 陸世英，張廷凱，康喜范，等.不銹鋼[M].北京：原子能出版社，1998.

[2] 肖紀(jì)美.不銹鋼的金屬學(xué)問(wèn)題[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1983.

[3] 程曉農(nóng)，戴起勛.奧氏體鋼設(shè)計(jì)與控制[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005 32～33.

[4] 戴起勛，王安東，程曉農(nóng).低溫奧氏體鋼的強(qiáng)度計(jì)算[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2002.12，50～53.