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镍系低温不锈钢不同成分和热处理工艺下组织和性能的分析
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2020/4/24 阅读:127

  镍系低温不锈钢上个世纪50年代开发出来以后,在低温领域广泛使用,有很多研究来解释这种优异低温性能的组织因素,早前的研究主要关注其中的残余奥氏体对低温韧性的影响,因为镍系低温不锈钢经过热处理后基体为铁素体或回火马氏体,奥氏体作为软性相分布在基体中构成复相组织,当裂纹在基体中扩展遇到奥氏体相时,能量会被奥氏体相吸收,裂纹扩展被阻止。因为奥氏体在镍系低温钢中的存在使得该钢种低温性能提高,后续有很多关于奥氏体在镍系低温不锈钢中机械稳定性的研究,在基体中存在奥氏体的情况下,当奥氏体向马氏体转变的过程中,是从面心立方结构向体心立方结构转变,体积会膨胀,所以等静压力不会有利这种转变,单轴压应力有利于这种转变,而拉应力总是有利于这种转变。在奥氏体转变的过程中,形成的马氏体结构和基体的马氏体结构位向不一致,这就阻隔了基体中裂纹扩展的路径,使得韧性提高,所以奥氏体在变形过程中积极地发生相变提高了镍系低温钢的低温韧性。此外,还有关于原奥氏体晶粒结构对形成的马氏体结构钢的机械性能和韧性的影响,超细晶粒结构中韧性和温度的反向关系。其中宏盛特钢的关于9镍不锈钢中板条马氏体结构的文章对解释镍系低温钢的组织有很大的指导作用,9镍不锈从奥氏体化状态淬火得到马氏体结构,这种马氏体结构为板条结构,并且和原奥氏体的结构存K-S结构,每一个奥氏体晶粒都会包含4个部分,每个部分都包含位向关系相近的6个马氏体变体,所以一个原奥晶粒内包含所有24种马氏体的变体,从这个角度看。淬火形成的板条马氏体结构分割了奥氏体晶粒,使得组织细化,裂纹在扩展的时候会变各个位向的板条马氏体阻碍,为后续的回火形成板条间的细小逆转变奥氏体提供了组织基础。此外,国内钢铁集团也对镍系低温钢的组织性能进行了研究。
 
 

 上面的研究主要针对镍系低温不锈钢基体中较少的第二相奥氏体的作用,最近有研究表明基体中形成很多针状铁素体也会提高材料的韧性。针状铁素体在400℃到600℃的等温阶段形成,此温度也是贝氏体的形成温度范围。贝氏体中铁素体在奥氏体晶界形核,并且往往形成位向平行的片状结构,而针状铁素体在奥氏体晶内的非金属颗粒上形核,形成的针状铁素体位向各不相同。针状铁素体之所以能有利于韧性,原因是针状铁素体的结构中有很多大角度的界面,这种针状铁素体结构同样也能有效的阻碍裂纹的扩展,从而使得韧性提高。

 

  基于以上的镍系低温不锈钢的复相组织和其韧性的关系的分析,对国内外生产的两种9镍钢的组织和性能进行比较,着重基体组织的差异,分析不同组织对韧性的影响。

  为了分析组织和低温性能之间的关系,对于目前国内外钢厂生产的两种9镍不锈钢材料进行了力学性能测试,冲击性能测试以及金相组织和扫描电镜图的分析,为了测试其中的奥氏体含量,通过磁性法可以较准确地反应试样A和试样B中的奥氏体含量,辅以EBSD照片的分析结果,两者结果一致。通过以上实验结果,可以得到以上结果:

 

  1. 在热处理工艺相同的情况下,镍系低温不锈钢的合金元素含量对最后的组织有着重要的影响。镍系低温不锈钢中最重要的元素是镍,镍能与铁形成固溶体,同时镍也是稳定奥氏体的元素,有利于提高最后热处理后基体中的奥氏体含量,奥氏体可以有效组织基体中的裂纹扩展,随着镍含量的提高,镍系低温钢的韧脆转变温度会降低。根据实际使用温度范围可以选择相应的镍含量的镍系低温钢。碳元素在镍系低温钢中应该控制其含量,较多的碳元素会增加镍系低温钢的脆性,所以镍系低温钢一般为低碳钢。在镍系低温钢的冶炼的过程中也要严格控制磷、硫、氮、氧和氢这些有害元素的含量。锰在低温钢中的适量存在对韧性有益,它能降低韧脆性转变温度。通过提高低温钢中的锰和碳的比例,钢的韧性可以显著提高。锰还是奥氏体稳定元素,在等温过程中的可以向奥氏体扩散提高奥氏体的稳定性。此外,用适量的锰代替部分镍,还可降低成本,提高经济性。除了在低温钢中的主要元素外,还加入适量的铝、铌、钒等元素,能有效细化钢的晶粒,如果在控制轧制和控制冷却的条件下,在这些微合金元素的作用下钢的低温韧性可大幅度改善。

 

  2.为了在冲击实验中得到更高的冲击吸收功,有更好的韧性,从基体组织的角度看,形成具有各种位向的针状铁素体是一个得到较好韧性的组织调控目标,这些针状铁素体有效分割了原奥氏体晶粒,形成大量的大角度晶界,从而使得裂纹扩展受阻。

 

  3.基体中残留的奥氏体可以提高镍系低温钢的韧性,在合金元素和热处理工艺的设计中可以考虑尽可能得到多的奥氏体,形成复相结构,奥氏体可以钝化裂纹尖端,使得裂纹扩展受阻。
 

 
 

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