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        化學(xué)成分對(duì)316L奧氏體不銹鋼組織及變形行為的影響

        2022-06-06 13:30:26莫金強(qiáng)馮光宏
        金屬熱處理 2022年5期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼變形

        莫金強(qiáng), 馮光宏, 徐 梅, 張 威, 李 陽

        (1. 鋼鐵研究總院有限公司 冶金工藝研究所, 北京 100081;2. 先進(jìn)不銹鋼材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030003; 3. 太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司, 山西 太原 030003)

        300系奧氏體不銹鋼由于具有高強(qiáng)、高抗氧化性、高抗腐蝕性及良好的力學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于石油、化工、核電等領(lǐng)域[1]。目前,工程上除了對(duì)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂(SCC)方面的研究,還開展了對(duì)其氫脆(HE)現(xiàn)象的大量研究[2]。不銹鋼作為耐腐蝕材料,與碳鋼、低合金鋼相比,難以發(fā)生由腐蝕引起的氫脆,但在高壓氫氣環(huán)境下,金屬材料多會(huì)發(fā)生氫脆,耐腐蝕性優(yōu)異的不銹鋼也不例外,存在氫脆的危險(xiǎn)。大量研究表明[3-7],不論是亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼或穩(wěn)定奧氏體不銹鋼,在高壓氫環(huán)境中或電解充氫后都會(huì)有明顯的氫脆敏感性,存在氫脆的危險(xiǎn)。

        在整個(gè)奧氏體不銹鋼家族中,316L不銹鋼的使用尤為廣泛,從低溫的液氫環(huán)境[8]到高壓氣態(tài)氫環(huán)境[9]均有涉及。不銹鋼的化學(xué)成分對(duì)氫脆現(xiàn)象的發(fā)生影響很大,這是因?yàn)楹饬科浞€(wěn)定性關(guān)鍵的因素是判斷能否產(chǎn)生氫致馬氏體相變,氫致馬氏體相變本質(zhì)上是一種加工誘發(fā)馬氏體相變[4,10]。而誘發(fā)馬氏體形成的主要影響因素就是材料的化學(xué)成分[11],對(duì)奧氏體不銹鋼來說鎳當(dāng)量為其穩(wěn)定性的指標(biāo)[12],具體鎳當(dāng)量公式為:

        Nieq(mass%)=Ni+0.65Cr+0.98Mo+1.05Mn+

        0.35Si+12.6C

        (1)

        一般認(rèn)為[13],Nieq在30%~45%范圍不容易引起氫脆;而Nieq<30%,由于形成馬氏體,會(huì)誘發(fā)氫脆;Nieq>45%,會(huì)生成鎳的氫化物,也會(huì)促進(jìn)氫脆。本文以不同鎳當(dāng)量的316L不銹鋼為研究對(duì)象,探索鎳當(dāng)量對(duì)其力學(xué)性能、拉伸斷口形貌及斷后材料微觀組織的影響規(guī)律,揭示鎳當(dāng)量與材料的力學(xué)性能和組織變化間的關(guān)系。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        試驗(yàn)材料為不同鎳當(dāng)量的316L不銹鋼熱軋鋼板,生產(chǎn)工藝為:冶煉→連鑄→單張板熱軋→固溶→酸洗,成品厚度為8 mm,其化學(xué)成分見表1。

        表1 不同Ni當(dāng)量316L不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        熱軋鋼板在1070 ℃條件下按照2 min/mm進(jìn)行固溶處理,然后根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》要求沿試料橫向進(jìn)行制樣和測(cè)試,拉伸試驗(yàn)在Zwick/Roell Z100型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為2 mm/s。根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的規(guī)定加工尺寸為5 mm×10 mm×55 mm V型夏比缺口沖擊試樣,在常溫和-196 ℃條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。利用Nova NanoSEM430掃描電鏡對(duì)拉伸后材料的斷口形貌進(jìn)行觀察。在斷口附近截取透射電鏡觀察試樣,經(jīng)砂紙打磨至40 μm后,電解雙噴制備薄膜試樣,電解液為10%的高氯酸+90%的無水乙醇,電壓20 V,電流為8~10 mA的直流電,電解液溫度約-30 ℃,用JEOL-2100透射電鏡觀察試樣的顯微組織。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

        2.1 固溶態(tài)微觀組織

        圖1為3種不同Ni當(dāng)量試驗(yàn)鋼固溶態(tài)的顯微組織。由圖1可知,3種鋼的顯微組織沒有明顯區(qū)別,均為均勻的奧氏體組織和少量的高溫δ相,奧氏體組織的平均晶粒尺寸約50 μm,其上均分布著兩種形貌的退火孿晶,即大量的貫穿整個(gè)晶粒的完整退火孿晶和終止于晶粒內(nèi)部的不完整退火孿晶。

        圖1 試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the tested steels (a) 316L-1; (b) 316L-2; (c) 316L-3

        2.2 力學(xué)性能

        圖2(a)為3種不同Ni當(dāng)量316L不銹鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線,由圖2(a)可以看出,在該Nieq范圍內(nèi),隨著Nieq的提高,材料的伸長(zhǎng)率增加,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低,但抗拉強(qiáng)度的降低幅度大于屈服強(qiáng)度的降低幅度。圖2(b)是不同Ni當(dāng)量316L不銹鋼在25 ℃和-196 ℃下的沖擊性能,可以看出,隨Nieq的提高,沖擊性能均增加。由此可知,隨著Nieq的升高,316L不銹鋼的強(qiáng)度降低,而塑性和韌性增加。

        圖2 不同Ni當(dāng)量316L不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)和沖擊性能(b)Fig.2 Stress-strain curves(a) and impact properties(b) of the 316L stainless steel with different Ni equivalents

        2.3 變形后的斷口形貌分析

        圖3為3種試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌。由圖3可知,3種試驗(yàn)鋼的斷口上均分布著大量的韌窩,且大韌窩內(nèi)部還包含豐富的小韌窩,呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征。韌性斷裂是個(gè)緩慢的撕裂過程,隨著變形的不斷進(jìn)行,裂紋不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展和聚集,最終在斷口組織中形成大量均勻分布的韌窩[14],表明位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)仍然是3種材料的主要變形機(jī)制[15],這與拉伸曲線上塑性變形階段所呈現(xiàn)的明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象相一致,表明在樣品斷裂前的塑性應(yīng)變過程中有大量的位錯(cuò)累積,說明Nieq的增加對(duì)其斷裂方式影響不大。316L-1試樣的斷口處存在大量小而淺的韌窩,形貌多為等軸狀韌窩,且斷口表面比較平整無較大起伏,分布相對(duì)均勻,如圖3(a)所示。316L-2和316L-3試樣的斷口形貌基本一致,都為尺寸較大的韌窩,兩種材料斷口表面有輕微起伏,且316L-2試樣的韌窩尺寸小于316L-3試樣。由此可知,隨著Nieq的提高,斷口的形貌發(fā)生了變化,韌窩的數(shù)量有所減少,尺寸明顯增加,材料的塑性越好,其斷口上的韌窩尺寸就越大、越深,這與力學(xué)性能表現(xiàn)相一致。

        圖3 試驗(yàn)鋼拉伸斷口形貌SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of fracture morphologies of the tested steels(a) 316L-1; (b) 316L-2; (c) 316L-3

        2.4 變形后微觀組織觀察

        圖4為不同Nieq試驗(yàn)鋼拉伸試樣斷口尖端及附近的軸向截面形貌,觀察到不同Nieq試樣均含有孔隙,孔隙在斷裂面附近分布更密集,且隨著Nieq的增加,孔隙的數(shù)量增多,孔隙明顯沿著拉伸方向被拉長(zhǎng),這個(gè)觀察結(jié)果也驗(yàn)證了隨著Nieq的增加試驗(yàn)鋼塑性增加的結(jié)果。

        圖4 不同試樣拉伸斷口尖端(a,c,e)及附近(b,d,f)截面微觀組織Fig.4 Microstructure in tip(a,c,e) and near(b,d,f) section of tensile fracture of different specimens(a,b) 316L-1; (c,d) 316L-2; (e,f) 316L-3

        圖5為不同Nieq試驗(yàn)鋼拉伸試樣斷口3 mm附近的軸向截面SEM照片,可以看出,3種不同Nieq奧氏體不銹鋼隨著拉伸材料的組織發(fā)生明顯的變形,晶粒會(huì)沿著受力方向被拉長(zhǎng),呈扁平狀或長(zhǎng)條狀,晶界清晰可辨,并出現(xiàn)較為明顯的變形帶。從圖5(a~c)對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn),隨著Nieq的增加,材料變形帶引起的表面浮凸趨于明顯。

        圖5 不同試樣拉伸斷口3 mm附近軸向截面的微觀組織Fig.5 Microstructure in axial section near 3 mm of the tensile fracture of different specimens(a) 316L-1; (b) 316L-2; (c) 316L-3

        從圖5還可以看出,在拉伸斷口附近未發(fā)現(xiàn)有馬氏體組織,說明在該3種不同成分的316L不銹鋼中拉伸過程中均未發(fā)生馬氏體相變。在SEM組織照片中,3種材料變形晶粒內(nèi)均能看到細(xì)小溝壑狀緊密分布的板條,這些板條是變形孿晶,形變孿晶大都終止于奧氏體晶界。通過比較圖5(a~c)可知,不同Nieq材料組織內(nèi)變形孿晶形貌和數(shù)量存在差異,隨著Nieq的增加,終止于晶內(nèi)的孿晶明顯增多,但奧氏體晶內(nèi)出現(xiàn)了交叉孿晶,這也解釋了隨著Nieq的增加,試驗(yàn)鋼塑性增加的同時(shí),強(qiáng)度降低不太明顯的原因。

        圖6為不同拉伸試樣斷口3 mm附近軸向截面的TEM組織形貌。在圖6(a)中發(fā)現(xiàn),316L-1試樣晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu),形成位錯(cuò)纏結(jié)或平面位錯(cuò)列,并且局部出現(xiàn)了形變孿晶,孿晶的片層厚度約為十幾個(gè)納米(圖6(b)為圖6(a)孿晶處的選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)),孿晶片層間充滿了大量的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。與316L-1試樣相比,從圖6(c,d)中可以看出,隨著Nieq的增加,試樣中除了含有大量的位錯(cuò)和孿晶外,還發(fā)現(xiàn)了滑移帶,這說明316L-2試樣在拉伸變形過程中出現(xiàn)了滑移。當(dāng)Nieq進(jìn)一步增加時(shí),在形變孿晶內(nèi)存在著高密度位錯(cuò)(見圖6(e,f))。由此可知,在Nieq較低情況下,拉伸斷口附近原始粗晶內(nèi)生成高密度位錯(cuò),發(fā)生位錯(cuò)交互作用,且局部出現(xiàn)形變孿晶;隨著Nieq的增加,出現(xiàn)交叉孿晶,位錯(cuò)密度降低并開始滑移,并且隨著Nieq的持續(xù)增加,變形方式逐漸從單系孿生為主轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞祵\生為主,孿晶片層大量交叉重疊且孿晶內(nèi)部出現(xiàn)高密度位錯(cuò)。這是因?yàn)?16L不銹鋼為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼,其冷變形能力與層錯(cuò)能有關(guān)[16],層錯(cuò)能被認(rèn)為是影響形變組織的最重要因素之一,低層錯(cuò)能材料組織中往往出現(xiàn)帶狀、線性排列的位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)[17]。而層錯(cuò)能與Ni、Cr、Mn和Mo等合金元素有密切關(guān)系,Talonen等[18]報(bào)道了層錯(cuò)能與合金元素的關(guān)系:

        SFE(mJ/m2)=-53+6.22w(N)+0.7w(Cr)+3.2w(Mn)+9.3w(Mo)

        (2)

        圖6 不同試樣拉伸斷口3 mm附近軸向截面TEM像和電子衍射花樣及其標(biāo)定Fig.6 TEM images in axial section near 3 mm of the tensile fracture and electron diffraction pattern calibration of different specimens(a,b) 316L-1; (c,d) 316L-2; (e,f) 316L-3

        計(jì)算出316L-1、316L-2、316L-3不銹鋼試樣的層錯(cuò)能分別為45.2、57.9、70.2 mJ/m2。說明隨著Nieq的提高,材料的層錯(cuò)能也增加。且相關(guān)研究表明[19]層錯(cuò)能在34~76 mJ/m2范圍時(shí),主要的變形機(jī)制是滑移和孿生的相互競(jìng)爭(zhēng),而形變孿晶的生成,是由于在層錯(cuò)能較低的316L不銹鋼中位錯(cuò)容易發(fā)生塞積并產(chǎn)生應(yīng)力集中。這使得孿生方向的分切應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力值,塑性變形便開始以孿生的方式進(jìn)行[20],隨著應(yīng)力和應(yīng)變量的進(jìn)一步增大,在原來的單系孿生基礎(chǔ)上發(fā)生多系孿生,孿晶與孿晶之間以及孿晶與位錯(cuò)之間發(fā)生交互作用,形變孿晶通過調(diào)整組織位向,促進(jìn)塑性變形進(jìn)一步進(jìn)行,使材料的應(yīng)變硬化率下降。對(duì)比3種不同成分材料發(fā)現(xiàn),層錯(cuò)能越高,形變孿晶越容易在兩個(gè)甚至多個(gè)方向上發(fā)生,且孿晶內(nèi)部出現(xiàn)高密度位錯(cuò),進(jìn)而使材料的塑性增加,但抗拉強(qiáng)度不明顯降低,這與材料的力學(xué)性能相一致。

        3 結(jié)論

        1) 3種成分316L不銹鋼在固溶態(tài)都得到奧氏體組織及少量高溫δ相,在該Ni當(dāng)量(Nieq)范圍內(nèi),其強(qiáng)度隨著Nieq的升高而降低,塑性和韌性隨著Nieq的升高而增加。

        2) 3種成分不銹鋼樣品經(jīng)拉伸后的斷口均存在大量韌窩,全部呈現(xiàn)韌性斷裂特征,隨著Nieq的提高,斷口的形貌發(fā)生了變化,韌窩的數(shù)量有所減少,韌窩的尺寸明顯增加。

        3) 3種成分試驗(yàn)鋼斷口組織均未發(fā)生馬氏體相變,隨著Nieq的提高,材料的層錯(cuò)能也增加,在Nieq較低情況下,斷口附近生成高密度位錯(cuò),發(fā)生位錯(cuò)交互作用,局部出現(xiàn)形變孿晶;隨著Nieq的增加,孿晶密度逐漸增大,變形方式逐漸從單系孿生為主轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞祵\生為主,孿晶片層大量交叉重疊且孿晶內(nèi)部出現(xiàn)高密度位錯(cuò)。

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