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高氮奥氏体不锈钢显微组织及力学性能的研究

王正国  
【摘要】:不锈钢自从问世以来就受到人们的青睐,然而不锈钢的生产中需要大量的镍,而世界镍资源储藏量不足以满足人们对不锈钢的需求量。高氮奥氏体不锈钢(以下简称高氮钢)的问世解决了这一问题,它是一种资源节约型不锈钢,利用氮、锰等元素部分取代或完全取代镍来节约镍元素。氮是一种强烈奥氏体稳定化元素,少量的氮即可以达到稳定奥氏体的作用。碳、氮共同作用可以大幅度提高高氮钢强度,对室温的韧性影响不大,并且材料的耐局部腐蚀性有所提高。 国内近几年已经开始生产高氮钢,目前生产应用最多的是发电机护环钢Cr18Mn18N。但是高氮钢在生产和应用中发现很多问题,例如氮的加入非常困难,氮对材料韧性的影响,高氮奥氏体不锈钢中温敏化,高温析出第二相,以及低温出现的韧脆转变现象等。本文将针对高氮钢铸锭组织性能、高温热塑性、第二相析出规律做系统的研究,另外探索了高氮钢低温韧脆转变现象。研究结果表明: 1.Cr-Mn-N系高氮钢铸锭晶粒粗大,认为是Mn含量过高,C、N原子扩散速度快导致高温下晶粒长大迅速。感应炉熔炼铸锭中枝晶偏析严重,晶间偏聚较多的Cr、Mn、C、Si原子,但未见N原子的偏聚。电渣重熔虽然可以改善该钢种的成分偏析和组织不均匀性,但是对晶粒细化无作用。高氮奥氏体不锈钢铸锭中出现浑圆球状Fe3C,析出物颗粒相连结成网状。 2.Cr18Mn18N高氮钢热模拟实验中发现,在1000-1100℃呈现低塑性区,面缩率仅为30%左右,断口呈现沿晶非解理断裂;而在1150-1200℃呈现较高面缩率和较低变形抗力,面收缩率达60%以上、断口为韧窝型韧性断裂。试样强度均随着温度升高而不断降低,且在同一温度条件下,变形速率越大,抗拉强度越大。 3.锻造处理的试样固溶后进行常温拉伸试验发现随着固溶温度的增加高氮钢由脆性断裂转变为韧性断裂,碳化物消融,颗粒逐渐变小。 4.断口显微组织观察发现,该钢种晶粒异常粗大,并且随温度升高,晶界逐渐模糊、晶粒逐渐长大。在1100℃开始,金相视野内观察不到晶界。1200℃时开始析出铁素体,1300℃时存在大量的铁素体,并且铁素体已经长大。 5.在Cr18Mnl8N不同温度的析出规律研究中,只观察到Cr3C2、铁素体和极少数TiN的沉淀析出,未发现Cr2N℃析出规律与相图不符合,因为实验的状态不同。相图为平衡状态的热力学计算结果,即表征了以缓慢升温或冷却速度条件下的相变、相组成。而实验升温、冷却速度均较快。 6.“V”字型热塑性规律源于内部组织变化,即800~950℃时,Fe3C已溶入基体而Cr3C2尚未大量析出,因此塑性较好,而在1000~1100℃之间,Cr3C2不仅从晶界、并且从晶内沿着树枝晶的晶间方向大量析出,同时此温度区间晶粒严重粗大化,因此使得热塑性急剧下降。当温度继续升高至1150℃,Cr3C2发生溶解,高氮钢进入纯奥氏体相区,热塑性提高。1200℃开始奥氏体基体内析出岛状铁素体,随温度升高,铁素体晶粒长大。 7.高氮奥氏体不锈钢存在着韧脆转变现象,不同成分的高氮钢韧脆转变温度不一样。Cr18Mn18N不锈钢的韧脆转变温度为-110℃至-196℃之间,Cr22Mn16N的韧脆转变温度在-80℃到-110℃之间。 8.高氮钢低温下韧脆转变过程为韧窝→拉长的韧窝→混合型断裂→沿晶断裂,镍的加入会增加奥氏体稳定化程度,一定程度上减少碳化物的析出,对高氮钢的韧性是有利的。高氮钢固溶时间不足时碳化物未充分溶解,在晶界析出的碳化物、硫化物低温环境下产生裂纹源,最终会引起材料的失效。


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