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Mn/V元素对淬火-配分高氮超级马氏体不锈钢组织性能的影响研究

庞阳  
【摘要】:超级马氏体不锈钢以优异的焊接性和良好的耐蚀性等综合优势逐渐成为油气开采及运输的关键材料,但随着对能源需求的大幅增加,其强韧性已无法满足目前深井、超深井油气管用材所需力学性能的要求。淬火-配分(QP)工艺是利用碳原子的浓度差进行配分,最终获得较多的稳定奥氏体,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极低,无法通过碳配分工艺提高材料的强韧性能。氮作为一种价格低廉的强烈奥氏体形成和稳定元素,可以通过固溶强化、析出强化和细晶强化提高材料的综合力学性能,又不会对耐蚀性和焊接性造成不利影响。因此本课题利用氮配分代替传统的碳配分,期望能同步提高超级马氏体不锈钢的强韧性能;为了避免有害相Cr_2N析出而导致耐蚀性下降,在钢中加入钒元素,钒与氮会优先形成VN并在组织中弥散分布;同时,本研究还增加了锰元素的含量,以期提高奥氏体含量,从而进一步提升超级马氏体不锈钢的塑韧性。因此,本课题以N、Mn和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、扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射以及背散射衍射探究QP工艺和不同合金元素对相组成和组织演变的的影响规律;通过拉伸试验、显微硬度测试明确QP工艺和不同合金元素对力学性能的影响作用,得到的主要规律如下:(1)采用不同的配分工艺对试验钢进行QP热处理后,发现试验钢显微组织均由板条马氏体+残余奥氏体+逆变奥氏体组成。材料经400℃×2min配分后综合力学性能最优,并且组织中的逆变奥氏体分布更为均匀且含量更高。配分温度较高或较低和配分时间的延长均不利于逆变奥氏体的形成。(2)配分过程中氮元素从过饱和马氏体发生扩散,并富集在马氏体-马氏体和马氏体-奥氏体边界,氮元素的富集为逆变奥氏体的形成提供了高的局部驱动力,其中马氏体相和奥氏体相之间存在Kurdjumov-Sachs取向关系。分布在板条马氏体之间的逆变奥氏体可以在变形时吸收变形功,阻止裂纹在马氏体板条间的扩展。(3)氮元素作为强奥氏体稳定和形成元素,试验钢中氮含量由0%增加至0.23%和0.35%时,组织中的奥氏体体积分数分别提升了21.6%和28.3%;另外,氮元素的添加对马氏体板条还具有明显的细化作用,平均板条宽度由2.93μm降至0.65μm。对试验钢的拉伸断口进行EBSD分析,表明稳定性不同的奥氏体组织在拉伸过程中进行着更为连续的TRIP效应,有利于试验钢塑性的提高。(4)试验钢中锰含量的增加会引起残余奥氏体体积分数上升、晶粒尺寸变大,从而使强度下降、塑性提高;钒含量的改变对试验钢显微组织和力学性能的影响并不明显,但添加钒元素之后会与氮元素反应形成VN,并在在组织中弥散分布,避免了有害相Cr_2N的析出。另外,VN的析出也提高了材料的力学性能。


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