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        N08020耐蝕合金的熱變形性能研究

        2019-12-03 03:00:34
        上海金屬 2019年6期
        關(guān)鍵詞:耐蝕再結(jié)晶晶界

        高 佩

        (1.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司,江蘇 宜興 214203; 2.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

        N08020(國(guó)內(nèi)為NS143,國(guó)外為20Cb- 3)鋼是一種Ni- Fe- Cr- Mo- Cu奧氏體耐蝕合金,在硫酸、硝酸、氯化物環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,因而被廣泛用于制作處理熱硫酸的裝置、含氯化物溶液的熱交換器、煉油裝置、濕法冶金裝置等[1- 8]。

        N08020合金具有較好的冷、熱加工性能。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)它的研究主要集中在焊接工藝等方面[1- 5,9- 10],有關(guān)熱變形工藝研究的報(bào)道較少,特別是在該合金的熱模擬方面。本文采用Gleeble- 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)鍛造態(tài)N08020耐蝕合金在900~1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),以研究溫度對(duì)N08020耐蝕合金熱變形性能的影響,為制定N08020耐蝕合金的熱變形工藝提供理論參考。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)用N08020耐蝕合金采用真空感應(yīng)+電渣重熔工藝冶煉,再鍛造成φ105 mm的棒材,化學(xué)成分如表1所示。

        1.2 熱拉伸試驗(yàn)

        表1 試驗(yàn)用N08020耐蝕合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated N08020 corrosion resistant alloy (mass fraction) %

        沿N08020合金棒料縱向取樣,磨拋后采用體積分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液進(jìn)行電解浸蝕,然后在ZEISS Axiovert 40MAT型顯微鏡下觀(guān)察。

        沿N08020合金棒材縱向取樣,加工8個(gè)尺寸為φ10 mm×116 mm的拉伸試樣,試樣兩端螺紋為M10 mm×15 mm。采用Gleeble- 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)將試樣以10 ℃/s加熱到900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 175、1 200 ℃,控溫精度±1 ℃,保溫3 min,再以1 s-1的應(yīng)變速率拉伸至試樣斷裂,計(jì)算試樣的斷面收縮率。再用ZEISS EVO18型掃描電鏡觀(guān)察斷口形貌,并采用ZEISS Axiovert 40MAT型顯微鏡檢驗(yàn)軸向組織。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 鍛態(tài)組織及析出相

        如圖1所示,鍛造態(tài)N08020合金組織為等軸晶,有較多孿晶,平均晶粒尺寸約為26.07 μm,平均晶粒度約為7.24級(jí)。

        圖1 鍛造態(tài)N08020合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of the as- forged N08020 alloy

        在掃描電鏡下N08020合金棒材的組織形貌如圖2(a)所示,可見(jiàn)合金中存在隨機(jī)分布的灰色方形或多邊形析出相及沿縱向分布的白色析出相。能譜分析表明,灰色方形或多邊形析出相為(Ti,Nb)(C,N),白色析出相為富Cr、Mo的碳化物,如圖2(b)、2(c)所示。

        圖2 N08020合金棒材組織的SEM形貌(a)及灰色(b)和白色(c)析出相的能譜分析Fig.2 SEM microstructure (a) and EDS analysis of gray (b) and white (c) precipitated phases in the N08020 alloy bar

        2.2 溫度對(duì)熱變形性能的影響

        N08020合金的熱變形性能隨溫度的變化如圖3所示,由圖可見(jiàn),當(dāng)拉伸溫度為900 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度為404 MPa,隨著試驗(yàn)溫度的提高,抗拉強(qiáng)度明顯下降,當(dāng)溫度提高到1 200 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度最低,為130 MPa; 隨著試驗(yàn)溫度的提高,合金的斷面收縮率先增大后減小,為68.0%~98.5%,具有良好的熱塑性,特別是在1 000~1 200 ℃,斷面收縮率均大于83.8%,且在1 175 ℃時(shí)達(dá)到最大值98.5%。

        圖3 N08020合金的熱變形性能隨試驗(yàn)溫度的變化Fig.3 Hot deformability as a function of test temperatures for the N08020 alloy

        2.3 拉伸斷口分析

        熱拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣的宏觀(guān)形貌如圖4所示。在900~1 200 ℃熱拉伸時(shí), 試樣斷口處均發(fā)生了明顯的頸縮, 可見(jiàn)在此溫度范圍內(nèi)該合金具有較好的熱塑性;試樣的頸縮程度隨著試驗(yàn)溫度的提高而越來(lái)越明顯,在1 175 ℃拉伸的試樣頸縮最明顯,熱塑性最佳;在1 200 ℃拉伸的試樣頸縮稍有減小。N08020合金熱拉伸試樣斷口的宏觀(guān)形貌隨試驗(yàn)溫度的變化與熱變形性能隨溫度的變化規(guī)律相同。

        圖4 在不同溫度拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣的宏觀(guān)形貌Fig.4 Macrographs of the N08020 alloy specimens after tensile testing at various temperatures

        N0802合金試樣在900~1 200 ℃拉伸后的斷口掃描電鏡形貌如圖5所示。由圖5可知,在900 ℃拉伸的試樣斷口有較多細(xì)小的圓形或橢圓形孔洞和韌窩,隨著試驗(yàn)溫度的提高而增多、加深,說(shuō)明塑性越來(lái)越好;1 200 ℃拉伸的試樣斷口孔洞和韌窩數(shù)量急劇減少,大部分較平整,塑性下降。

        圖5 N08020合金試樣在不同溫度拉伸后的斷口宏觀(guān)形貌Fig.5 Macrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

        圖6為N08020合金試樣在900、1 175和1 200 ℃拉伸后斷口的高倍形貌。900 ℃拉伸試樣的斷口韌窩小而淺,個(gè)別韌窩較大,韌性較好;1 175 ℃拉伸試樣的斷口有許多較深的韌窩,說(shuō)明在此溫度下該合金具有良好的塑性;1 200 ℃拉伸試樣的斷口發(fā)生了局部熔融,導(dǎo)致其熱塑性降低。

        圖6 N08020合金試樣在不同溫度拉伸后的斷口高倍形貌Fig.6 High power micrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

        2.4 軸向組織

        N08020合金拉伸試樣斷口處軸向顯微組織及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨試驗(yàn)溫度的變化如圖7、圖8所示。由圖7可知,在900 ℃拉伸的試樣斷口處晶粒沿拉伸方向拉長(zhǎng),由于晶粒在原始晶界、孿晶界及析出相等處形核需要的能量較低,因而在這些部位出現(xiàn)了許多細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,呈串狀,說(shuō)明發(fā)生了局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,再結(jié)晶晶粒平均尺寸約為3.56 μm,平均晶粒度為12.98級(jí),通過(guò)軟件分析,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)約為85.12%。在拉伸過(guò)程中,裂紋源首先在細(xì)小再結(jié)晶晶粒與原始晶粒界面形成,隨后在應(yīng)力作用下擴(kuò)展并最終斷裂;當(dāng)試驗(yàn)溫度提高到950 ℃時(shí),細(xì)小再結(jié)晶晶粒增多,再結(jié)晶晶粒尺寸約為3.69 μm,未明顯長(zhǎng)大,此時(shí)合金基本完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)約為98.13%;當(dāng)試驗(yàn)溫度進(jìn)一步提高到1 000 ℃時(shí),合金發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;試驗(yàn)溫度繼續(xù)提高,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒緩慢長(zhǎng)大,超過(guò)1 150 ℃時(shí),再結(jié)晶晶粒迅速長(zhǎng)大;1 200 ℃時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒平均尺寸約為26.81 μm,晶粒度7.15級(jí),斷口出現(xiàn)了鑄態(tài)組織,如圖7所示。

        當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到1 200 ℃時(shí),在熱拉伸過(guò)程中,S、P等雜質(zhì)元素的溶解度很小,易向晶界偏聚從而改變晶界成分,降低其熔點(diǎn),首先在三角晶界處熔化,然后沿晶界擴(kuò)展,晶粒界面的熔化孔洞連接成熔化塊[11]。此外,試驗(yàn)溫度越高,晶粒越粗大,晶界總長(zhǎng)度越小,單位長(zhǎng)度晶界上雜質(zhì)元素濃度更高,因此發(fā)生了局部熔融,熱塑性降低。

        圖7 在不同溫度拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣斷口的軸向顯微組織Fig.7 Axial microstructures of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

        圖8 在不同溫度拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣斷口的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸隨溫度的變化Fig.8 Effect of temperature on volume fraction and size of dynamically recrystallized grains on the N08020 alloy specimen fractures after tensile testing at different temperatures

        在900~1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率熱拉伸試驗(yàn)時(shí),N08020合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而增大,1 000 ℃拉伸的合金發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,再結(jié)晶晶粒隨著溫度的升高而逐漸增大。與上述熱塑性曲線(xiàn)、斷口宏觀(guān)形貌和斷口軸向組織結(jié)合起來(lái)看,對(duì)于N08020耐蝕合金,當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí),最佳的熱變形溫度為1 000~1 175 ℃。

        3 結(jié)論

        (1)在900~1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行熱拉伸試驗(yàn)時(shí),隨著溫度的提高,N08020耐蝕合金的抗拉強(qiáng)度逐漸下降,斷面收縮率先增大后減小,為68.0%~98.5%,具有良好的熱塑性,特別是在1 000~1 200 ℃,斷面收縮率大于83.8%,在1 175 ℃時(shí)最大,為98.5%,熱塑性最佳。

        (2)N08020合金在900~1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行熱拉伸后, 試樣斷口均有明顯的頸縮,其變化趨勢(shì)與熱變形性能隨溫度的變化規(guī)律相同。

        (3)N08020耐蝕合金在900 ℃拉伸后,試樣斷口有較多細(xì)小的圓形或橢圓形孔洞和韌窩, 且隨著溫度的提高而增多、加深,塑性越來(lái)越好;1 200 ℃拉伸的試樣斷口孔洞和韌窩數(shù)量急劇減少,斷口大部分較平整,塑性下降。

        (4)在900~1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率拉伸的試樣斷口處動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的提高而增大,在1 000~1 200 ℃拉伸時(shí),發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。但1 200 ℃拉伸后試樣的斷口發(fā)生了局部熔融,熱塑性降低。當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí),N08020耐蝕合金最佳的熱變形溫度為1 000~1 175 ℃。

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