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淬火-配分工艺对N-V合金化超级马氏体不锈钢强韧性能的影响研究

吕香  
【摘要】:超级马氏体不锈钢以良好的耐蚀性、成型性及焊接性等综合优势成为油气开采及运输的关键材料,但其强度和韧度水平无法满足目前深井、超深井油气管用材所需超高强韧性能的要求。淬火-配分工艺是利用碳原子的浓度差进行配分,最终获得较多稳定的奥氏体,可以在不降低强度的同时提高材料的韧性。但超级马氏体不锈钢碳含量低,无法通过碳配分工艺提高材料的强韧性能。而氮作为一种价格低廉的强烈奥氏体形成和稳定元素,可以通过促进钢中奥氏体的析出影响韧性,又可以提高钢的强度。因此本课题对氮元素进行配分,期望能同步提高超级马氏体不锈钢的强韧性能。同时,为了避免因加入氮元素而析出的有害Cr2N,在不锈钢中加入钒元素,促进VN的弥散析出,可以有效提高钢的强度。故本课题以N、V合金化的超级马氏体不锈钢为研究对象,设计合理的淬火-配分热处理工艺,借助金相显微镜(OM),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM),电子背散射衍射(EBSD),X射线衍射仪(XRD)及铁素体仪明确Q-P工艺对显微组织的影响;借助拉伸试验,显微硬度试验及断口形貌观察明确Q-P工艺对力学性能的影响。得到的主要结果如下:(1)不同V含量试验钢的基体组织都为板条马氏体,0.12V钢的板条马氏体束宽度小于0.06V钢,奥氏体含量也小于0.06V钢,表明V元素可以细化晶粒,抑制奥氏体的形成;V含量由0.06增加至0.12时,抗拉强度、屈服强度和显微硬度分别提高了283 MPa、121 MPa、47.3 HV,延伸率下降了4.3%。可见,V元素不能同时提高试验钢的强度和韧性。(2)N含量由0.1增加至0.35时板条马氏体束明显细化,奥氏体体积分数增加,抗拉强度、屈服强度和显微硬度均有显著提高,延伸率变化不大。其中抗拉强度提高了558 MPa,屈服强度提高了466 MPa,显微硬度增加了224 HV,延伸率提高6.5%。表明N元素可以在不降低试验钢韧性的情况下提高其强度。(3)不同淬火-配分制度下试验钢的组织都由板条马氏体和奥氏体组成。和淬火态相比,经过配分处理后试验钢中奥氏体含量明显增多,说明配分处理后有逆变奥氏体生成。奥氏体含量随配分温度的升高而降低,晶粒尺寸也越来越小,有纳米级的逆变奥氏体生成。(4)和淬火态相比,经过配分处理后试验钢的各项力学性能得到提升。其中,试验钢在400℃配分2min时综合力学性能达到最优。此时,抗拉强度为1681 MPa、屈服强度为953 MPa、显微硬度为538.5 HV、延伸率为15.23%。


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