奥氏体不锈钢的变形程度及再结晶退火对硬度性能的影响

奥氏体不锈钢的变形程度及再结晶退火对硬度性能的影响

廖旺茂

广西柳钢中金不锈钢有限公司  广西玉林市  537624

摘  要： 奥氏体不锈钢在室温下，晶粒细化，组织致密。由于其优良的塑性、韧性和耐蚀性等性能，被广泛用于制造各种机械零件和容器。随着奥氏体不锈钢合金含量的提高，奥氏体不锈钢的抗拉强度、屈服强度和硬度值也不断提高，但其热变形后塑性变形仍较大，加工硬化比较严重，在一定程度上限制了其应用范围。同时由于奥氏体不锈钢在高温下具有良好的可焊性，因此广泛用于石油机械设备以及船舶机械设备。但对其进行再结晶退火时会产生一些合金元素如 Cr、 Ni和 Al等对性能产生一定影响。本文对变形程度较大的不锈钢进行再结晶退火可以减少部分奥氏体合金元素在淬透区的析出，改善其耐高温性（可降低在600℃下工作时的淬透区温度）、提高材料成形性能、改善材料塑性加工硬化、延长退火过程加热时间等。因此，研究不同温度下奥氏体不锈钢及其再结晶退火组织及其性能的变化是至关重要的。

关键词： 奥氏体不锈钢；不锈钢；结晶退火；硬度性能

引言

奥氏体不锈钢是一种在高温下具有良好韧性的特种不锈钢，其抗拉强度可达970 MPa,塑性和耐蚀性较好。随着奥氏体不锈钢强度、硬度等性能的提高，通常采用再结晶退火工艺来降低不锈钢的硬度。奥氏体不锈钢再结晶退火可提高材料的韧性和耐蚀性，但是对硬度性能的影响很小。近年来，有很多学者通过金属腐蚀、磁力显微镜观察和理论计算来研究合金奥氏体不锈钢相变时材料微裂纹产生的机理及再结晶退火对硬度性能的影响。研究发现晶体的形貌、结构及化学成分等因素会引起金属腐蚀，降低材料硬度。当奥氏体不锈钢板中含有大量马氏体后，由于马氏体之间发生了相变，导致基体组织中形成新一代的粗大奥氏体相。在这种情况下，如再结晶退火能够获得细密晶体结构、韧性和化学成分等参数均较好的合金奥氏体钢，是一种较理想的高温钢。

一、实验材料

本实验采用一种奥氏体不锈钢，该不锈钢具有良好的焊接性能以及塑性、耐蚀性和焊接性能。实验采用 HSB奥氏体不锈钢板，通过加热方式和烘烤方式对不锈钢板进行再结晶退火处理。加热温度为400℃~450℃，保温时间为3 h。样品材料均采用日本 JIS公司生产的 HSB 310 B型奥氏体不锈钢T80板材样本。拉伸试样尺寸为100×50 mm (6×4 mm)。由于试验中采用电炉加热装置来升温到800℃以上进行再结晶退火处理。在1000℃以上保温3 h后进行二次退火处理。该实验所用材料为A2Mn2O7含量为35%~50%的 Al2O3试样。

二、试验方法

取 Ag、 Cr、 Nb的合金奥氏体不锈钢试样，分别通过不同温度、不同时间淬火得到显微组织。将淬火回火后的试样在900℃和1200℃两个不同的炉子中进行淬火处理。采用马氏体测试仪对所测样品的晶粒度进行检测及其硬度系数的计算。对不同批次奥氏体不锈钢进行不同时效时间不同温度淬火处理后微观组织进行扫描电镜观察。根据 FCC 522-1998标准对试样进行尺寸和显微测量以及尺寸效应研究等工艺方法。其中，尺寸效应测试时用 Agilent Hall Pro Ag/La Cl进行扫描和测量；显微测量用 DFM BHT Hardware Waith进行测量；应变分析用 Nikon Degree进行研究；磁力分析用 Nicolet Touch IR进行研究；试验用标准金属溶液将奥氏体不锈钢试样浸入水中30 min并冷却至室温后进行试验测试获得该系列试样的显微组织。通过在室温下拉伸断裂疲劳试验得到断裂前钢带疲劳寿命为880 MPa。

三、试验结果与分析

根据以上实验数据，得出以下结论，在200℃~400℃范围内，奥氏体不锈钢在高温下处于不稳定的熔合相状态，晶粒尺寸大小不一。随着温度提升，熔合相的数量增多，熔合相之间存在氢键相互作用，导致奥氏体不锈钢发生相变。此外，随着温度升高，奥氏体不锈钢中的晶粒尺寸减小甚至消除，晶粒变细，导致奥氏体不锈钢中晶界发生剥落进而产生微裂纹。微裂纹是奥氏体不锈钢产生微裂纹的重要原因之一，在再结晶过程中易发生微裂纹的形成有两个原因：一是由于奥氏体304在高温下易形成马氏体-铁素体夹杂；二是由于奥氏体不锈钢在常温下体积小密度高。因此在对304系列产品进行测试时需要对其温度及退火条件进行严格控制以获得最佳的测试性能。实验结果表明：将450℃~580℃温度范围内的奥氏体不锈钢热温度均控制为550° C即可获得理想的测试性能。随着退火温度的升高，材料的硬度下降，当退火量为1 wt%时，其硬度约增加了2个百分点，其变化趋势与未变热处理曲线相似。当退火温度为900℃时，在没有进行较大变形的情况下，材料硬度下降幅度较小。但当其再次变形时会出现较大的形变区域和形状不规则的区域。对于硬度较高的奥氏体不锈钢来说，温度过高或过低都不利于再结晶退火过程。为了确定合金奥氏体不锈钢是否采用再结晶退火工艺来降低其硬度，对不同尺寸、不同变形程度的试验钢进行了硬度测试结果以及硬度性能比较。

在变形程度相同时，热处理后硬度值均降低了1个百分点；但在变形严重时，再结晶退火对硬度的影响小于淬火处理过程。可以看出，此时奥氏体不锈钢中存在大量的析出晶粒和析出相（如Fe3C、Fe2S等）它们通过影响晶粒尺寸和粗大亚晶形成等来间接破坏奥氏体中的相变过程。

因此，在处理奥氏体不锈钢时应充分考虑其变形程度及其对硬度性能的影响。当变形程度较大时，再结晶退火不会导致组织和性能的变化；变形程度较小时再结晶退火不会导致组织和性能的变化。在本实验中，经过再结晶退火处理后获得了细密均一、平均孔隙率<0.4%、韧性<0.8%、化学成分<0.5%和比未再结晶处理要好得多的奥氏体不锈钢。当进行再结晶退火处理后的奥氏体不锈钢组织和性能有以下变化：粗大奥氏体相具有均匀致密且不均匀生长；晶粒细化与细小晶粒相变；晶粒长大过程中呈网状组织形态为纤维状结构。再结晶退火后获得比未再结晶退火更为细密均匀且孔隙率低于0.4%的铸态奥氏体钢。本实验中发现在进行再结晶退火处理后得到比未再结晶退火低一个数量级并均匀分布着细密细小晶粒分布的粗面奥氏体相（CrMnMoRN相）。其显微组织特征为：无组织和晶粒细化相；无晶粒组织中存在很多细小的气泡。显微强度为0.94 MPa,比未再结晶处理时提高了12%次；其疲劳强度为0.074 MPa,比未又结晶度较高的奥氏体钢疲劳强度高10%。

四、小结

综合考虑合金奥氏体不锈钢在再结晶退火过程中微观组织、表面硬度以及力学性能的变化过程是再结晶退火钢研究的重要课题之一。本实验以460、470合金奥氏体不锈钢为研究对象，采用CHI510A显微 CT扫描测量了晶体结构、组织、性能等方面的变化。通过改变奥氏体镍层元素分布来改变金属间结合状态；通过改变合金元素含量来改变金属间结合状态；通过改变合金元素配比来改变金属间结合状态。通过磁力显微镜观察可以看出试样出现了由两相形成的粗大奥氏体相：其中1/3为粗大奥氏体相;2/3为中粗大奥氏体相:1/3为粗大奥氏体相。在相同退火温度和退火时间条件下经20 h退火后试样达到最优退火温度，再结晶退火能获得一种细密的晶粒组织和韧性。随着热膨胀系数的增大，试样出现了明显的应力集中现象而变得脆弱。经60 h退火后试样发生了一次较大的应力集中效应而导致试样出现了微裂纹；经过80 h退火后试样具有了较好的再结晶性能并发生了晶界马氏体向粗大奥氏体相转化的过程。

参考文献

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