侯力強 孟文妍 盧文靜 張小慶 白文峰 許佩敏

熱處理對316L不銹鋼編織網(wǎng)組織及力學(xué)性能的影響

侯力強 孟文妍 盧文靜 張小慶 白文峰 許佩敏

(西安菲爾特金屬過濾材料有限公司，西安710201)

對316L不銹鋼編織網(wǎng)分別進行1 080℃和1 350℃退火處理，將原始狀態(tài)和退火后絲網(wǎng)的纖維組織、力學(xué)性能和斷裂方式進行了對比研究。結(jié)果表明，絲網(wǎng)經(jīng)過高溫退火處理后晶粒明顯增大，搭接點出現(xiàn)了熔合焊接現(xiàn)象，屈服強度和抗拉強度大幅降低，斷后伸長率有所提高，宏觀斷裂方式由正斷轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛唷?/p>

熱處理 不銹鋼編織網(wǎng) 性能

0 序 言

316L不銹鋼由于具有良好的耐腐蝕和綜合力學(xué)性能廣泛的應(yīng)用于化工、石油、電力等領(lǐng)域。常用的316L不銹鋼編織網(wǎng)是采用相互垂直排列的金屬絲材，在織機上按一定規(guī)律交織而成的金屬織物，簡稱金屬網(wǎng)?？棛C有一個重要的部件稱為鋼筘，金屬絲網(wǎng)網(wǎng)面上與網(wǎng)邊平行或與鋼筘垂直的方向稱為經(jīng)向，經(jīng)向的金屬絲稱為經(jīng)絲，與其垂直方向稱為緯向，相應(yīng)的金屬絲稱為緯絲。

316L不銹鋼編織網(wǎng)通常作為多層金屬燒結(jié)網(wǎng)的組成部分，經(jīng)過特殊的疊層壓制，在保護性氣氛或者真空高溫?zé)Y(jié)、加壓、軋制而成，可應(yīng)用于如氣－固、液－固等多種過濾分離領(lǐng)域［1－3］。由于編織網(wǎng)中絲材通常采用單絲拉拔法制備而成，存在較大的加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致直徑較粗，網(wǎng)面不易直接加工成型。一般采用高溫退火工藝消除應(yīng)力，然后通過高溫?zé)Y(jié)使細網(wǎng)和粗網(wǎng)間形成焊點，增加結(jié)合強度。目前尚未有關(guān)于熱處理對編織絲網(wǎng)性能的研究報道，文中根據(jù)生產(chǎn)常用的退火工藝，研究單層絲網(wǎng)高溫退火后組織、力學(xué)性能以及斷裂方式的變化情況，為生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 試驗方法

試驗選用孔徑為74 μm、絲徑為50 μm的316L不銹鋼編織平紋網(wǎng)，為多層金屬燒結(jié)網(wǎng)中的控制層，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，化學(xué)成分見表1。試驗使用真空爐進行退火處理，退火工藝為:升溫速率10℃/min，1 080℃和1 350℃分別保溫3 h，隨爐降溫至800℃后采用氬氣氣淬至室溫。將原始狀態(tài)、1 080℃和1 350℃退火的3種絲網(wǎng)切取3 cm×3 cm的方形試樣，用鑲樣粉對絲網(wǎng)進行鑲嵌，在金相砂紙上對截面拋光處理，采用三氯化鐵－鹽酸水溶液腐蝕3～5 s，沖洗后使用奧林巴斯金相顯微鏡進行晶粒組織觀察。

圖1 316L不銹鋼編織平紋網(wǎng)

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

由于絲網(wǎng)的厚度小于0．1 mm，沒有可供參考的國標(biāo)，為保證足夠的平行長度，拉伸試樣尺寸統(tǒng)一為15 cm×3 cm(經(jīng)向×緯向)的非標(biāo)準矩形試樣，用萬能拉伸試驗機進行經(jīng)向拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min，采用掃描電子顯微鏡對拉伸斷口形貌進行觀察。

2 結(jié)果與分析

2．1 組織觀察

圖2為316L不銹鋼編織網(wǎng)原始狀態(tài)、1 080℃和1 350℃退火后截面金相組織。圖2a可以看出由于絲材采用拉拔工藝制備而成，原始絲網(wǎng)的晶粒細小，邊界不規(guī)則，晶粒尺寸在5～10 μm之間，原始絲網(wǎng)采用物理編織方法加工而成，經(jīng)線和緯線的接觸面屬于簡單的物理搭接;圖2b為原始絲網(wǎng)經(jīng)過1 080℃退火后的組織形貌，相比于原始組織，退火后絲網(wǎng)的晶粒出現(xiàn)明顯長大，整個圓形截面幾乎為單一的晶粒，平均晶粒尺寸大于20 μm，從長絲的截面可以看出晶粒邊界規(guī)則，內(nèi)部有島狀碳化物析出，屬于等軸狀奧氏體組織，由于高溫使得原子擴散加劇，經(jīng)線和緯線搭接點處的細小晶粒經(jīng)過吞并－融合的方式長大為尺寸粗大的單一晶粒，在接觸面形成焊接點將經(jīng)緯線連接起來;圖2c為經(jīng)過1 350℃退火后絲網(wǎng)晶粒更加粗大，晶粒內(nèi)部孿晶相對明顯，如圖2c所示，晶粒內(nèi)部的碳化物由于高溫固溶而消失，經(jīng)緯線搭接處的接觸面積變大。

圖2 絲網(wǎng)剖面組織

2．2 拉伸結(jié)果

沿經(jīng)向?qū)?種絲網(wǎng)進行拉伸試驗，得到單位寬度下的屈服強度和抗拉強度及最大負荷下的斷后伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)，試驗結(jié)果見表2。設(shè)試驗在某一伸長率下的拉伸力為 R，有效寬度為 b(文中試驗 b=3 mm)，得到單位寬度不同退火溫度下絲網(wǎng)的拉伸力Rb=R/b和斷后伸長率A的關(guān)系曲線如圖3所示。

表2 3種絲網(wǎng)拉伸試驗結(jié)果

圖3 不同退火溫度下絲網(wǎng)的拉伸曲線

由于原始絲網(wǎng)晶粒尺寸d相對較小且絲材受加工硬化的作用，根據(jù)霍爾－佩奇公式:

式中，ReL為屈服強度;R為單個位錯移動時的阻力;κ為常數(shù);d為平均晶粒尺寸。原始狀態(tài)的屈服強度和抗拉強度分別為65 N·mm－1和91 N·mm－1，遠高于經(jīng)過高溫退火的絲網(wǎng)，但絲材的拉伸力在到達最高點后驟降為零，即出現(xiàn)了瞬斷現(xiàn)象，這是由于經(jīng)向絲材幾乎同時斷裂所致。

絲網(wǎng)經(jīng)過1 080℃高溫退火處理后，由于原始加工硬化的消除和晶粒成倍的長大，拉伸強度比原始絲網(wǎng)有了大幅度的降低，并且拉伸變形集中在粗大的晶粒內(nèi)進行，相應(yīng)每個晶粒中塞積的位錯相對變多，應(yīng)力集中引起的開裂使得絲材在斷裂之前承受的變形量減小，導(dǎo)致最大載荷處的斷后伸長率相比于原始絲網(wǎng)(斷后伸長率為16．36%)增加量較少，只有19．43%，但裂紋產(chǎn)生后經(jīng)歷了大約3%的變形后才完全斷裂，沒有發(fā)生絲材的瞬斷。隨著退火溫度升高，絲網(wǎng)的抗拉強度和屈服強度稍有下降，斷后伸長率有所增加。

2．3 拉伸斷口形貌

通過對3種絲網(wǎng)拉伸斷口進行SEM觀察，斷口形貌如圖4～6所示。由圖4a可以看出，原始絲網(wǎng)宏觀斷口平直，屬于正斷，類似于實體材料中的脆斷，和拉伸試驗中應(yīng)力“跌落”現(xiàn)象一致;原始狀態(tài)的微觀斷口如圖4b所示，斷口由長短交替規(guī)則排列的經(jīng)絲組成，類似于實體材質(zhì)中鋸齒狀斷口，由于絲材加工硬化程度較高，斷絲沒有發(fā)生明顯的頸縮，這種斷口形貌可以用裂紋偏轉(zhuǎn)(Crack deflection)來解釋［4］:當(dāng)主裂紋的擴展在某一方向傳播時由于各種原因在前方路徑上產(chǎn)生了較大的阻力發(fā)生路徑偏轉(zhuǎn)或出現(xiàn)分支，向更易產(chǎn)生裂紋的方向擴展，而正應(yīng)力方向決定了裂紋擴展路徑回到主裂紋方向。通過對斷裂點和相鄰垂直方向上的緯絲距離進行測量發(fā)現(xiàn)，短絲的距離與相鄰經(jīng)緯絲材搭接點的距離相同(大約120 μm)，而長絲由于塑性變形相對較大，長度為短絲長度的兩倍多一點，同樣屬于經(jīng)緯搭接點。由此可以推斷出原始絲網(wǎng)斷裂的位置屬于經(jīng)線和緯線的搭接處。這是因為在變形過程中，主拉力方向的經(jīng)絲首先傾向變直，搭接處的經(jīng)絲會受到另一緯絲的擠壓，正是由于拉力和垂直方向壓力的共同作用導(dǎo)致搭接點位置出現(xiàn)斷裂，而起始搭接點斷裂后，例如圖4b中的A點，使得垂直方向臨近搭接B點的經(jīng)絲受緯絲垂直方向的壓力減小，因而不發(fā)生斷裂，而下一個斷裂位置會在受力較大的搭接C或D點產(chǎn)生，相當(dāng)于發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)。

當(dāng)絲網(wǎng)經(jīng)過1 080℃退火處理后，斷口宏觀形貌由正斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻魄袛嗲覕嗫诓贿B續(xù)，如圖5a所示。經(jīng)過放大觀察(圖5b)發(fā)現(xiàn)，斷口處經(jīng)絲發(fā)生了頸縮，這是由于高溫退火消除加工硬化，從而提高了塑性。不同于原始絲網(wǎng)斷裂方式，退火后拉伸絲網(wǎng)的搭接處由于高溫原子擴散產(chǎn)生焊點，焊點的強度高于單根絲材，從而使裂紋在某個斷面內(nèi)的相鄰緯絲內(nèi)進行擴展，終止于搭接處的焊點，繼而轉(zhuǎn)向切應(yīng)力方向的其他位置。隨著退火溫度升高，斷裂方式和之前類似，1 350℃退火處理的絲網(wǎng)斷口形貌如圖6所示。

圖4 原始狀態(tài)斷裂形貌

圖5 1 080℃退火后斷裂形貌

圖6 1 350℃退火后斷裂形貌

3 結(jié) 論

多層金屬網(wǎng)在制備過程中的高溫?zé)Y(jié)會對絲網(wǎng)性能產(chǎn)生較大影響，文中對單層316L不銹鋼編織網(wǎng)進行熱處理，并對比分析其力學(xué)性能的差異，得到以下結(jié)論:

(1)絲網(wǎng)經(jīng)過高溫退火后，晶粒成倍地長大，由于高溫原子擴散作用，原始經(jīng)緯線的物理搭接點形成焊點，隨著退火溫度升高，焊點的面積增大，使得絲網(wǎng)孔徑在使用中不易變形，能夠保持穩(wěn)定的過濾精度。

(2)經(jīng)過高溫退火的絲網(wǎng)拉伸強度大幅度下降，導(dǎo)致抵抗外界沖擊力的性能減弱，但斷后伸長率稍有提高，在受力過程中不會出現(xiàn)類似原始狀態(tài)絲網(wǎng)的瞬斷現(xiàn)象。

(3)3種絲網(wǎng)拉伸斷口的形貌表明，原始編織網(wǎng)的經(jīng)緯絲物理搭接點在受力時屬于相對薄弱區(qū);而絲網(wǎng)經(jīng)過高溫退火后，經(jīng)緯絲搭接處形成的焊點能夠阻礙裂紋的擴展，從而在應(yīng)用中起到一定的安全作用。

［1］ 熊 旺，余忠金，宋 濤．不銹鋼過濾材料過濾特性［C］．中國工程物理研究院科技年報，2005:150－150．

［2］ 尹法杰，方玉誠．剛性復(fù)合燒結(jié)金屬絲網(wǎng)微孔材料與氣固過濾分離技術(shù)［J］．石油化工設(shè)備技術(shù)，1998(4):25－28．

［3］ 奚正平，湯慧萍．燒結(jié)金屬多孔材料［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2009．

［4］ 張 鴻，宋迎東．陶瓷基復(fù)合材料基體裂紋偏轉(zhuǎn)能量釋放率研究［J］．航空動力學(xué)報，2007，22(10):1730－1736．

TG407

2017－02－15

侯力強，1988年出生，碩士。主要從事金屬過濾材料方面的工作，已發(fā)表論文3篇。