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        熱處理對316L奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)、力學(xué)和耐腐蝕性能的影響

        2021-06-10 02:06:37黨麗
        粘接 2021年1期
        關(guān)鍵詞:熱處理

        黨麗

        摘要:通過熱處理改變316L奧氏體不銹鋼α和β相的體積分?jǐn)?shù),可以優(yōu)化氣體金屬電弧添加劑制造(GMA-AM)316L奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能和腐蝕性能。結(jié)果表明,1000—1200℃熱處理1h對鋼中晶粒形貌影響不大,但對盯、8相含量影響較大。1000℃熱處理有效地提高了鋼中盯相的含量,使鋼的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高,而彈性模量和屈服強(qiáng)度都有所降低。1100~1200℃的熱處理完全消除了α相,導(dǎo)致極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低,而彈性模量和屈服強(qiáng)度增加。盯相的強(qiáng)化效果優(yōu)于β相,但會降低鋼的塑性,增加鋼中產(chǎn)生裂紋的可能性。同時(shí),通過熱處理限制鋼的α相和8相的數(shù)量,可以提高鋼的耐蝕性。與β相相比,α相對鋼的耐腐蝕性能的影響更大。

        關(guān)鍵詞:氣體金屬電弧添加劑;奧氏體不銹鋼;熱處理;α相;拉伸性能;腐蝕性能

        中圖分類號:TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-5922(2021)01—0046—04

        0引言

        奧氏體不銹鋼具有穩(wěn)定、完整的奧氏體組織,由于其優(yōu)良的耐腐蝕性、足夠的高溫力學(xué)性能,在化學(xué)生產(chǎn)、輪船制造、高溫螺栓、核反應(yīng)堆等現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,良好的可制造性和焊接性。添加劑制造可以直接制造和修理金屬零件,減少加工時(shí)間和成本。與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造等制造技術(shù)相比,添加劑制造具有技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)競爭力,特別是對于大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造和修復(fù)。添加劑制造具有溫度梯度高、冷卻速度快、循環(huán)加熱等特點(diǎn),與傳統(tǒng)的制造工藝相比,具有較大的微觀組織差異。

        研究了316L奧氏體不銹鋼在熱處理過程中的相變行為和結(jié)構(gòu)變化,優(yōu)化了316L奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能和腐蝕性能。

        1實(shí)驗(yàn)過程

        1.1微觀結(jié)構(gòu)表征

        使用放電絲從沉積部件上切下金相試樣,然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械拋光和蝕刻(4g CuSO4、20mL HCl和20mL H2O)。采用奧林巴斯BX51M光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-6010掃描電子顯微鏡(SEM)對GMA-AM 316L的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。在工作距離為3um的JEOL-JEM 7001F中,采用電子背散射衍射(EB.SD)技術(shù)對晶體的織構(gòu)和取向進(jìn)行識別,通過分析相應(yīng)的電子背散射圖樣來識別晶體的織構(gòu)和取向。SEM和EBSD成像的加速電壓為20kV。用Image-Pro-Plus軟件對同一試樣的3張SEM照片計(jì)算了沉積態(tài)和熱處理后GMA-AM 316L中β相和α相的體積分?jǐn)?shù)。

        1.2拉伸實(shí)驗(yàn)

        采用50kN-SANS電子拔火機(jī),最大載荷50kN,十字頭轉(zhuǎn)速0.5mm/min,按ISO 6892-1:2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),用電子引伸計(jì)測量應(yīng)變。為進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),制備了直徑5mm、標(biāo)距35mm、總長71mm的圓形試樣。拉伸試樣的主軸與沉積方向平行。為了減小測量誤差,對3個(gè)相同條件下的試樣進(jìn)行了平均值計(jì)算。用掃描電鏡(sEM)觀察拉伸試樣的斷口和斷面。

        1.3電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

        將電化學(xué)測試用試樣切成12mmx12mmx2mm的尺寸,作為鑲嵌在環(huán)氧樹脂中的工作電極。通過在試樣背面點(diǎn)焊一根銅導(dǎo)線,使試樣從后部電接觸。各工作電極表面用連續(xù)級碳化硅砂紙打磨

        2000#砂,再用0.5um金剛石膏拋光。電極的非工作表面用硅橡膠密封。在25℃的3.5wt%NaCl溶液中使用相應(yīng)的電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)。用去離子水和分析級化學(xué)品制備溶液。電化學(xué)池由3個(gè)電極組成:對電極、參比電極和工作電極。分別用鉑箔和飽和甘汞電極(sCE)作為計(jì)數(shù)電極和參比電極。本工作中引用的所有電位均指SCE。在試樣浸入之前,以0.15L/min的速率將氮?dú)夤呐?0min,以降低溶液中的氧含量。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,通氣繼續(xù)進(jìn)行。為了得到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),開路電位(Eo)被記錄了30min。在給定的掃描速度(30mV/min)下,通過將電位從穩(wěn)定開路電位以下50mV掃過,直到電流密度超過10-4/cm2,來進(jìn)行動電位極化測量。電流密度顯著增加時(shí)的電位被認(rèn)為是點(diǎn)蝕電位(Ep)。采用Tafel外推法,根據(jù)動電位極化曲線測定了不同試樣的腐蝕電流密度。

        2結(jié)果

        2.1微觀結(jié)構(gòu)

        然而,鋼的晶粒很難從SEM圖像中分辨出來,因此采用了EBSD技術(shù)。圖2顯示了已沉積和熱處理鋼的EBSD取向成像圖和倒極圖。各種顏色對應(yīng)于奧氏體晶粒相對于晶格的取向,每種顏色對應(yīng)于歐拉角的獨(dú)特組合。因此,具有相同晶體學(xué)取向的晶粒具有相似的顏色。在沉積態(tài)鋼中,晶粒呈柱狀形態(tài)(圖2(a))。在1000℃-1200℃熱處理1h后,柱狀晶粒與沉積態(tài)相比無明顯變化(圖2(b)-(d))。1200℃下較長的保溫時(shí)間導(dǎo)致晶粒粗化,并從柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀,如圖2(e)所示。

        2.2拉伸性能

        根據(jù)沉積鋼和熱處理鋼的應(yīng)力/應(yīng)變曲線(圖3),計(jì)算帶有誤差棒的極限和屈服強(qiáng)度(Ys)。熔敷鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到533MPa和235MPa。1000℃熱處理1h,極限強(qiáng)度由533MPa增加到549MPa,屈服強(qiáng)度由235MPa增加到242MPa,延伸率由48%下降到41%,斷面收縮率由64%下降到61%。在1100~1200℃熱處理時(shí),熱處理鋼的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降低到474MPa和204MPa,而熱處理鋼的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高到70%和83%。熔敷鋼的力學(xué)性能與固溶處理的316L鋼相當(dāng),但在1100%和1200%熱處理時(shí),鋼的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于鍛造316L鋼,熔敷鋼和熱處理鋼的拉伸性能均優(yōu)于鍛造316L鋼的工業(yè)要求。

        圖4(a)和(c)分別顯示了沉積態(tài)和熱處理(1100℃/lh)鋼的斷裂表面。熱處理(1100℃/1h)鋼的斷面收縮率比沉積鋼大。高倍的斷口(圖4(b)和(d))顯示了凹陷表面,這表明沉積態(tài)和熱處理態(tài)鋼的斷裂類型屬于韌性斷裂。

        2.3腐蝕性能

        用動電位極化法研究了沉積態(tài)和熱處理態(tài)鋼在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能。圖5和表2示出了相應(yīng)的極化曲線和電化學(xué)參數(shù)的測量值。低腐蝕電流密度(i COlT)和點(diǎn)蝕電位與腐蝕電位之間的高差(△E)表明腐蝕速率慢,耐腐蝕性高。根據(jù)表3,i腐蝕的低至高階為(1200℃/4h)<(1200℃/1h)<(1100℃/1h)<(1000℃/1h)<沉積態(tài),以及AE的高至低階,表明鋼的耐腐蝕性從高到低階。結(jié)果表明,熱處理可以提高鋼的耐蝕性。特別是熱處理(1200℃/4h)鋼的耐蝕性最好。

        3結(jié)語

        1)1000℃熱處理有效地提高了鋼中α相的含量,使殘余8相球化。1100℃、1200℃熱處理1h,α相完全溶解于y基體中,δ相隨熱處理溫度的升高而減小。在1000~1200℃熱處理1h后,由于δ相和α相的釘扎作用,柱狀晶沒有明顯的變化。1200℃保溫時(shí)間長,晶粒由柱狀變?yōu)榈容S狀,δ和a相完全溶解。

        2)α相的增加導(dǎo)致1000℃熱處理后鋼的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加,而熱處理后鋼的屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低;1100~1200℃熱處理完全消除了α相,導(dǎo)致極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低,而屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加。熔敷鋼和熱處理鋼的拉伸性能均超過316L鋼的工業(yè)要求。鋼中α相的強(qiáng)化效果優(yōu)于δ相,但對塑性的影響更大。α相增加了裂紋產(chǎn)生的可能性。

        3)熱處理提高了鋼的耐蝕性,隨著熱處理溫度和時(shí)間的增加,鋼的耐蝕性提高。α相的形成導(dǎo)致了盯相界面處的Cr虧損區(qū),從而增加了腐蝕的敏感性。與δ相相比,α相對鋼的耐腐蝕性能的影響更大。經(jīng)過熱處理(1200℃/4h)的全奧氏體組織具有最好的耐腐蝕性。

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