增氮降鎳對316L不銹鋼管高溫拉伸性能的影響

 浙江至德鋼業(yè)有限公司利用Gleeble-1500D熱模擬機對不同成分316L不銹鋼管分別在950、1000、1050、1100℃以0.05s的應(yīng)變速率下進行高溫拉伸試驗，通過分析試驗曲線、斷口形貌、變形區(qū)以及未變形區(qū)組織，研究增氮降鎳對316L不銹鋼管高溫拉伸性能的影響。結(jié)果表明，增氮降鎳使單位截面的雜質(zhì)偏聚數(shù)量上升，惡化了試驗鋼的斷口形貌，從而降低了鋼材的熱塑性，斷面收縮率平均下降了37.5%；增氮降鎳使鋼材的抗拉強度平均提高了42.5%。

 316L不銹鋼管是繼304不銹鋼管之后廣泛應(yīng)用的18-8不銹鋼管中的一種，其特點是在鋼中額外添加了耐腐蝕性能的鉬元素。該類鋼具有良好的綜合性能，因此在醫(yī)用品、食品、石油、化工、海洋等領(lǐng)域都有廣泛的使用。但由于鎳資源匱乏，成本較高，所以在保證性能的前提下，降低奧氏體不銹鋼中鎳元素的含量，是目前工業(yè)生產(chǎn)的主要發(fā)展方向。研究發(fā)現(xiàn)：氮是強烈的奧氏體形成元素，具有穩(wěn)定奧氏體組織的作用；可以提高奧氏體不銹鋼的強度以及耐腐蝕性。因此對低鎳Cr-Mn-Ni-N不銹鋼、高氮無鎳Cr-Mn-N資源節(jié)約型不銹鋼已經(jīng)開展了研究。至德鋼業(yè)在316L不銹鋼管化學成分的基礎(chǔ)上增加氮元素并降低鎳元素的含量，利用Gleeble-1500D熱模擬機對試驗用鋼進行高溫拉伸試驗，通過分析其抗拉強度、斷面收縮率、斷口形貌、變形區(qū)和未變形區(qū)的組織，研究增氮降鎳對試驗鋼高溫力學性能的影響。

一、試驗材料與方法

 試驗用316L不銹鋼管在30 kg真空感應(yīng)爐內(nèi)冶煉，通過常壓充氮以及二次布料加入氮化物的方式控制試驗鋼成分，其化學成分如表所示。將試驗鋼錠加熱到1200℃，保溫2小時，待鋼錠溫度均勻后，用400kg空氣錘鍛造成25 mm×25 mm方坯，開鍛溫度為1150～1160℃，終鍛溫度≥930℃，冷卻方式為空冷。然后對鍛后的試驗鋼進行1100℃保溫1小時的固溶處理，并快速冷卻以減少碳化物、氮化物及碳氮化合物等析出。將固溶處理后的試驗用鋼用鉬絲切割機加工成6 mm×106 mm的圓柱，在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上進行高溫拉伸試驗。試樣以20℃/s的加熱速率加熱至1150℃，保溫2 min以消除加熱不均勻引起的溫度梯度，再以10℃/s的速率分別降溫至1100、1050、1000、950℃，最后以0.05 s的應(yīng)變速率進行拉伸直至斷裂。

二、試驗結(jié)果與分析

1. 高溫拉伸性能

  圖為316L不銹鋼管的高溫熱塑性曲線，由圖可知，1號試樣在950、1000、1050℃拉伸時隨著溫度的提高斷面收縮率提高，分別為47%、50%、59%，在1100℃時，1號試樣的斷面收縮率達到57%，比1050℃時略有降低；2號試樣在950、1000、1050、1100℃時隨著溫度的提高斷面收縮率也提高。在相同的溫度下比較1號、2號試樣發(fā)現(xiàn)2號試樣的斷面收縮率均低于1號試樣，增氮降鎳降低了試驗鋼的熱塑性。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，在950、1000、1050、1100℃時，隨著拉伸溫度的上升試驗鋼的抗拉強度逐漸下降；2號試樣4個測試點溫度的抗拉強度均高于1號試樣，在950℃時2號試樣抗拉強度為209 MPa，比1號試樣152 MPa增加57 MPa，增幅較大。具體試驗數(shù)據(jù)見表2。氮原子半徑比鐵原子小，固溶在基體中能夠產(chǎn)生很大的畸變能，致使系統(tǒng)的能量升高，同時聚集在晶界上的氮化物占據(jù)了晶界中的畸變區(qū)，阻礙了晶界的滑動，晶界裂紋不易形成，所以通過固溶強化和晶界強化可以提高試驗鋼的強度。氮元素可以增大奧氏體晶粒的尺寸，使晶界相對面積減小，單位面積雜質(zhì)元素偏聚量上升，不利于316L不銹鋼管的高溫熱塑性。另一方面，鎳元素也有提高強度、改善韌性的作用，但程度遠不及氮元素對試驗鋼的影響。通過計算得到2號試驗鋼相比1號試驗鋼分別在950、1000、1050、1100℃時斷面收縮率和抗拉強度的變化值，然后再對4個溫度下斷面收縮率和抗拉強度的變化值求平均值，得到增氮降鎳后強度平均提高了42.5%，斷面收縮率平均下降了37.5%。

2. 斷口形貌和顯微組織

  圖為316L不銹鋼管在1000、1100℃下高溫拉伸變形后的斷口形貌。從圖中可以看出，1號、2號316L不銹鋼管斷口類型以微孔聚集型為主。1號試驗用316L不銹鋼管高溫拉伸斷口在1000℃時的韌窩大小均勻，1100℃時韌窩變得大而深，撕裂變形明顯，塑性提高。從2號試驗鋼高溫拉伸斷口上可見，斷面撕裂程度不如1號試驗鋼，大韌窩附近的小韌窩變得細小，并在大韌窩間出現(xiàn)微量無明顯塑性變形的延伸區(qū)。通常材料的韌窩大而深說明塑性越好，所以1號試驗鋼的塑性較好。試驗鋼在1100℃時的韌窩數(shù)量及尺寸均高于1000℃，是因為溫度越高，原子之間變得活躍，有利于改善高溫熱塑性。圖為試驗鋼在1100℃高溫拉伸變形區(qū)和未變形區(qū)的顯微組織。從圖中可以看出1號試驗鋼和2號試驗鋼均為單一的奧氏體組織。高溫拉伸時，裂紋優(yōu)先在夾雜和晶界薄弱處形成，并沿著塑性延伸方向擴展、聚集，當變形達到一定程度后，形成長條線狀裂紋，致使試樣斷裂。在1100℃高溫拉伸試驗后，1號試驗鋼比2號試驗鋼未變形區(qū)組織細小，晶界面積相應(yīng)增大，單位晶界面積上偏聚的雜質(zhì)原子數(shù)量相應(yīng)減少，所以提高了試驗鋼的熱塑性。變形區(qū)奧氏體晶粒均沿拉伸方向變形，1號試驗鋼變形程度大于2號試驗鋼。

3. 斷口夾雜

  圖為316L不銹鋼管在1000℃斷口夾雜物的掃描形貌及能譜圖。觀察圖發(fā)現(xiàn)，夾雜物均出現(xiàn)于韌窩底部，尺寸在3μm以下，以顆粒狀彌散分布。1號試樣中，夾雜物主要為硫的金屬化合物，本試樣中含有較多的錳元素，故夾雜物以硫錳化合物為主；2號試樣中，主要以氮化鉻、氧化鉻為主，有少量硫錳化合物存在。2號試樣的夾雜物數(shù)量高于1號試樣，是因為固氮元素鉻容易與氮結(jié)合生成氮化鉻夾雜，氮化物優(yōu)先偏聚在晶界處。

三、結(jié)論

1. 在950～1100℃溫度范圍內(nèi)，試驗鋼隨著溫度的升高，斷面收縮率逐漸提高，隨著溫度的升高，抗拉強度逐漸下降；增氮降鎳后試驗鋼的斷面收縮率平均下降了37.5%，抗拉強度平均提高了42.5%。

2. 增氮降鎳使奧氏體晶粒尺寸增加，單位面積雜質(zhì)偏聚增多，惡化了試驗鋼的斷口顯微形貌，降低了鋼材的熱塑性。

3. 增氮降鎳的316L不銹鋼管夾雜物主要以氮化鉻、氧化鉻為主，有少量硫錳化合物存在。

4. 在1050℃時，增氮降鎳不顯著損害316L不銹鋼管的熱塑性，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的熱強性。