0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管退火溫度及性能影響

OCr21Ni6Mn9N鋼是一種氮強(qiáng)化鉻鎳錳系奧氏體不銹鋼,其奧氏體組織穩(wěn)定,具有優(yōu)良的耐腐蝕性和焊接性,及很強(qiáng)的加工硬化特性。其強(qiáng)度可通過調(diào)整鋼中氮含量來控制,也可通過形變強(qiáng)化進(jìn)一步提高[1-6]

0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管在國外應(yīng)用相當(dāng)成熟,如波音747、波音777、DC-10和L-1011等飛機(jī)上的液壓系統(tǒng)導(dǎo)管均采用該不銹鋼制造[7。該鋼在航空領(lǐng)域常以冷加工狀態(tài)使用,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)980~1 120 MPa,屈服強(qiáng)度大于830 MPa,比傳統(tǒng)的飛機(jī)用1Cr18Ni9系不銹鋼管的強(qiáng)度高很多。因此,在相同的強(qiáng)度下,可減小管壁厚度,達(dá)到減重的目的。

0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管通常采用多次冷拔(軋)加工成型,為消除加工硬化,便于進(jìn)一步加工成型,在冷拔(軋)工序之間需進(jìn)行退火熱處理,而退火處理對(duì)材料的組織和性能有著決定性影響,但國內(nèi)對(duì)此方面的研究卻較少報(bào)道。為此,作者研究了退火熱處理溫度對(duì)冷拔0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管顯微組織與拉伸性能的影響。

試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用冷拔態(tài)0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管,化學(xué)成分見表1。1#～3*鋼管的外徑和壁厚分別為14 mm×0. 7 mm, $12 mm×0.6 mm, p9.53mm×0.51 mm。

對(duì)試驗(yàn)鋼管進(jìn)行退火處理,即在箱式馬弗爐加熱至不同溫度,保溫1h或8h后空冷,具體熱處理工藝見表2。從熱處理后鋼管上取長度為200 mm的拉伸試樣,按照GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在Instron 5887型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)拉伸性能,結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值。金相試樣從熱處理后2"鋼管上切取,長度約為15 mm,采用鑲樣機(jī)鑲樣,對(duì)其橫截面進(jìn)行磨制、機(jī)械拋光,電解腐蝕(電解液為體積分?jǐn)?shù)40%的硝酸水溶液),然后在Leica DMIM型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。采用掃描電鏡(SEM)觀察析出物的形貌,并用附帶的EDS分析其成分。

退火濕度對(duì)顯微組織的影響

由圖1可以看出,未退火的冷拔態(tài)鋼管晶粒為大小均勻且沿徑向拉長的等軸晶;在600 ℃及以下溫度熱處理后,晶粒尺寸和形狀變化不大;當(dāng)熱處理溫度為650 ℃時(shí),部分等軸晶內(nèi)形成了孿晶,且隨溫度的升高,孿晶數(shù)量增加,尺寸增大,晶界也變得相對(duì)模糊。這是因?yàn)閵W氏體鋼層錯(cuò)能較低,當(dāng)退火溫度一定時(shí),容易形成退火孿晶,隨溫度增高,孿晶密度增加。

由圖2可見,3#鋼管經(jīng)700℃×1 h退火后,晶界上存在少量粒狀的白色析出物,由EDS分析可初步判斷該析出物為富鉻的碳化物(Cr C)。這是因?yàn)镺Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼敏化溫度區(qū)間在540～870 ℃之間,當(dāng)在此溫度區(qū)間加熱時(shí)會(huì)析出碳化物(Cr2sC)。當(dāng)碳化物在晶界析出時(shí),會(huì)造成其周圍局部區(qū)域形成貧鉻區(qū)(低于11.7%)。貧鉻區(qū)為微陽極,而碳化物(Cr2aC)及晶內(nèi)區(qū)域?yàn)槲㈥帢O，微陽極和微陰極處于電解質(zhì)溶液中時(shí),發(fā)生了電化學(xué)腐蝕(晶間腐蝕),因此,組織中晶界模糊。

退火溫度對(duì)拉伸性能的影響

為便于比較分析,將未進(jìn)行退火試樣的退火溫度設(shè)定為25 ℃。從圖3中可以看出,不同規(guī)格尺寸的鋼管的室溫拉伸性能與退火溫度的關(guān)系基本相同。1及鋼管經(jīng)200℃退火后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比退火前的都有所提高,伸長率略有下降;退火溫度在200～550℃之間時(shí),其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率相對(duì)穩(wěn)定,都沒有太大的變化;當(dāng)退火溫度高于550℃時(shí),其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都開始明顯下降,伸長率則明顯提高。2*鋼管經(jīng)600 ℃以下溫度退火后,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率與退火前的相比都沒有明顯變化;當(dāng)溫度高于600℃后,隨溫度提高,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯下降,伸長率則明顯提高。3"鋼管經(jīng)200℃退火后的抗拉強(qiáng)度比退火前的有所提高,屈服強(qiáng)度明顯提高,伸長率變化不大;退火溫度在200～550℃之間,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都沒有大的變化,伸長率略微提高;當(dāng)退火溫度升高至550 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都開始下降，伸長率相應(yīng)提高。

0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼在冷變形加工成型過程中,會(huì)發(fā)生加工硬化,材料內(nèi)部出現(xiàn)各種缺陷以及殘余應(yīng)力,而且存在很高的變形畸變能。退火時(shí),有三個(gè)因素的作用會(huì)影響鋼的強(qiáng)度和塑性。第一,退火時(shí)加工硬化形成的變形畸變能通過點(diǎn)、線缺陷的運(yùn)動(dòng)有所釋放,如空位遷移至晶界、位錯(cuò)或與間隙原子結(jié)合而消失,同時(shí)位錯(cuò)被激活,處于同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)可能互相吸引而會(huì)聚并抵消,使位錯(cuò)密度下降,減弱加工硬化效果,使強(qiáng)度下降,塑性提高;第二,0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼中含有較多的氮元素,退火處理時(shí),金屬氮化物會(huì)自奧氏體組織中彌散析出,使強(qiáng)度提高,塑性下降;第三,退火時(shí)0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)顯著下降,有助于強(qiáng)度提高,但塑性下降。當(dāng)退火溫度較低時(shí),第二、第三因素的疊加作用等同或略大于第一因素的,使得材料強(qiáng)度變化不大或有所提高,而塑性變化不大或略有下降。當(dāng)退火溫度較高時(shí),第一影響因素占主導(dǎo)作用,此時(shí),除點(diǎn)、線缺陷的運(yùn)動(dòng)外，面缺陷也開始運(yùn)動(dòng),如晶粒內(nèi)某一晶面發(fā)生層錯(cuò)而形成孿晶,如圖1所示,變形畸變能可大部分或*釋放,使得加工硬化效應(yīng)大部分或*消除,導(dǎo)致材料性能發(fā)生顯著變化,如強(qiáng)度下降,塑性升高。另外由于晶界上析出了碳化物(Cr23C),如圖2所示,使晶界強(qiáng)度下降,同時(shí)使奧氏體組織內(nèi)碳含量和合金元素的含量下降,降低了合金強(qiáng)化的作用,也會(huì)使材料強(qiáng)度下降,塑性提高。

結(jié)論

(1) OCr21Ni6Mn9N冷拔奧氏體不銹鋼鋼管經(jīng)600 ℃以上溫度退火后,在晶界上明顯析出了碳化物(Cr2aC),晶粒內(nèi)有退火孿晶形成,隨溫度升高，孿晶密度增加。

(2)0Cr21Ni6Mn9N冷拔奧氏體不銹鋼鋼管經(jīng)200～550℃退火后,強(qiáng)度稍有提高,塑性略有下降;當(dāng)退火溫度高于600℃時(shí),強(qiáng)度明顯下降,塑性則明顯提高。