简介概要

高锰氮奥氏体不锈钢塑性变形机制及组织-性能的研究

来源期刊：稀有金属2006年增刊第2期

论文作者：邱以清刘振宇王书晗王国栋刘相华林兆森

关键词：高氮奥氏体不锈钢; 热轧; 铸轧; 孪晶;

摘要：研究了Fe-22Cr-25Mn-2Si-0.7N型奥氏体不锈钢在不同工艺条件下的组织结构及其力学性能.此种奥氏体不锈钢,不仅可节约贵重金属镍,且具有较高的强度和塑性,具有在弱腐蚀环境中代替304等含镍不锈钢的可能性.探讨了两种不同的成型条件下这种奥氏体不锈钢的性能.首先,奥氏体不锈钢经过模铸热轧成4 mm的板材,分别在1323,1373和1473 K下固溶处理30 min后淬火至室温.对其力学性能的检测发现,最佳固溶处理温度为1373 K.在此条件下可以得到较好的强度、塑性及成型性综合性能(屈服强度为580 Mpa,抗拉强度930 Mpa,延伸率为45%,屈强比为0.62).另外,利用双辊铸轧的方法探讨了这种不锈钢的薄带近终型成形工艺,得到了屈服强度为500 Mpa,延伸率为15%的铸态薄带.采用XRD,OM,SEM和TEM对不锈钢的显微组织进行了分析和检测.结果发现,变形孪晶是影响高锰氮不锈钢塑性变形的重要机制.

稀有金属 2006,(S1),63-67 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s1.016

高锰氮奥氏体不锈钢塑性变形机制及组织-性能的研究

林兆森刘振宇邱以清刘相华王国栋

东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004

摘要：

研究了Fe-22Cr-25Mn-2Si-0.7N型奥氏体不锈钢在不同工艺条件下的组织结构及其力学性能。此种奥氏体不锈钢, 不仅可节约贵重金属镍, 且具有较高的强度和塑性, 具有在弱腐蚀环境中代替304等含镍不锈钢的可能性。探讨了两种不同的成型条件下这种奥氏体不锈钢的性能。首先, 奥氏体不锈钢经过模铸热轧成4 mm的板材, 分别在1323, 1373和1473 K下固溶处理30 min后淬火至室温。对其力学性能的检测发现, 最佳固溶处理温度为1373 K。在此条件下可以得到较好的强度、塑性及成型性综合性能 (屈服强度为580 MPa, 抗拉强度930 MPa, 延伸率为45%, 屈强比为0.62) 。另外, 利用双辊铸轧的方法探讨了这种不锈钢的薄带近终型成形工艺, 得到了屈服强度为500 MPa, 延伸率为15%的铸态薄带。采用XRD, OM, SEM和TEM对不锈钢的显微组织进行了分析和检测。结果发现, 变形孪晶是影响高锰氮不锈钢塑性变形的重要机制。

关键词：

高氮奥氏体不锈钢;热轧;铸轧;孪晶;

中图分类号： TG113.25

作者简介：刘振宇 (E-mail: zyliu@mail.neu.edu.cn) ;

收稿日期：2006-06-27

基金：国家重点基础研究发展规划 (973) 项目 (2004CB619108) 资助;

Research of Deformation Mechanism and Relationship between Microstructure and Properties of High Mn and N Austenitic Stainless Steel

Abstract：

The microstructure and mechanical properties of Fe-22Cr-25Mn2Si-0.7N austenitic stainless steel by different processes were investigated, hoping for the replacement of 304 stainless steels in moderately corrosive environment, which possesses a high strength and less cost.The steel was re-melt under N2 atmosphere, and two different forming processing routes were employed to investigate its microstructure and properties.First, the molten steel was cast into ingots, and hot rolled into strips with the thickness of 4 mm by using a two-high reversing mill.Following the hot rolling, solid solution treatments were carried out at 1323, 1373 and 1473 K for 30 min and water quenched to room temperature.It is found that the mechanical properties of the strips depend on the solid solution treatment temperatures, with the best combination of a yielding strength of 580 MPa, tensile strength of 930 MPa and elongation of 45%, and the ratio of yielding to tensile strength being 0.62 happening at 1373 K.Second, the steel liquid was poured into a strip caster to produce the cast strip, which was found to possess reasonably good mechanical properties, with the yield strength of 500 MPa and elongation of about 15%.Microstructure was observed by using OM, SEM and TEM.Deformation twinning is an important mechanism during plastic deformation.

Keyword：

high nitrogen austenitic stainless steels;hot rolling;twin roll strip casting;twins;

Received： 2006-06-27

高氮不锈钢由于具有较高的强度和塑性, 较好的耐局部腐蚀性和较低的晶界敏感性 ^[1,2,3,4] 而得到了迅速的发展。 N和Mn元素的复合强化代替了贵重的金属镍。 N元素的间隙固溶强化作用提高了钢的强度, 并且不显著损失钢的断裂塑性 ^[5] 。尽管氮的加入提高了奥氏体不锈钢耐点蚀 ^[6] 、缝隙腐蚀等耐局部腐蚀的能力 ^[7] , 并且氮在预防冷作后的高强度奥氏体钢的应力腐蚀裂纹方面也很有效; 但是, 陆世英 ^[8] 的研究表明, 在大气之中, Cr-Mn系钢的耐蚀性于304不锈钢无明显差别, 但是随介质腐蚀性增强, Cr-Mn系钢的耐蚀性与304钢之间的差距扩大, 在腐蚀性强的介质中, 无论是单独或复合合金化的Cr-Mn系钢, 其耐蚀性都不如304不锈钢。所以, 本试验研究的高氮奥氏体不锈钢具有在弱腐蚀环境中代替304等含镍不锈钢的可能性。

双辊铸轧工艺是以旋转的轧辊为结晶器, 不经过中间冷却和再加热工序, 直接由液态金属加工成金属成品或半成品的一种新型加工工艺。铸轧过程中由于冷却速度大, 铸轧薄带的金属晶粒细, 并可改善凝固组织, 减少宏观偏析, 提高铸轧薄带钢的力学性能。并且双辊铸轧薄带钢技术可以生产传统方法难以生产的、加工性能不好的金属制品, 如高速钢薄带, 不锈钢和高硅钢薄带等。

本文对比了铸轧工艺和传统热轧工艺条件下高氮不锈钢的组织结构和力学行为, 研究了不同工艺下高氮钢的塑性变形机制。

1 实验

试验用钢采用中频感应炉熔炼, 熔炼过程在N₂保护下完成, 起到钢中增N和保护钢液不被氧化的作用。熔清后加入少量聚渣剂, 然后进行扒渣, 一部分钢水进行薄带铸轧, 铸轧辊速为20 m·min^-1, 辊缝为1.0 mm。其余的钢水模铸为Φ 31.5 mm的铸锭。表1所示为试验钢的化学成分。采用四辊可逆轧机将这种不锈钢铸锭热轧成4 mm的板材。铸轧和热轧板材分别在1323, 1373和1473 K下进行固溶处理30 min后淬火至室温。通过拉伸试验测试其力学性能。

采用PW3040/60型衍射仪确定试验钢的物相组成, 采用光学显微镜观察金相组织, 采用TECNAI G2 20型透射电子显微镜 (TEM) 观察变形前后显微组织的演变情况。

表1 试验钢的化学成分 (%, 质量分数)

Table 1 Chemical composition of steel

Cr	Mn	N	Si	C	S	P	Al
22.41	25.7	0.71	2.01	0.096	0.002	0.012	0.035

2 结果与讨论

图1所示分别为铸轧和热轧固溶态试验钢的XRD图谱。结果显示, 热轧试验钢的组织为全部的奥氏体组织, 而试验钢铸轧固溶态的组织更接近于FeN_0.088, 这是由于薄带铸轧过程的快速冷却抑制了凝固过程氮化物的析出, 使N原子更多的溶解到奥氏体。图2示出了铸轧试样横截面的枝晶组织, 其中二次枝晶间距为5～6 μm, 由Chiang和 Wary ^[9] 给出的二次枝晶间距与冷却速率的关系可以推算出这种不锈钢薄带铸轧过程的冷却速率超过14000 K·s^-1, 为典型的快冷凝固过程。

图3示出了热轧态试样的金相照片及析出物的能谱分析。结果显示, 析出物为C或N的化合物。图4示出了热轧板材在不同温度下固溶处理30 min后的金相照片。从图中可以看到, 热轧试样表面析出的C或N的化合物经1323 K以上温度固溶处理后几乎全部溶解于奥氏体基体中, 且形成较规则的奥氏体晶粒。在1373 K下固溶处理得到的奥氏体晶粒尺寸最小, 并且具有最高的强度, 如表2所示。从不同固溶温度处理下热轧试样的力学性能来看, 最佳的固溶处理温度为1373 K, 在此温度下可以得到最佳的强度和塑性配比。

表2 热轧试样不同温度固溶处理的力学性能

Table 2Mechanical properties of hot rolled steel at different solution temperatures

温度	1323 K	1373 K	1473 K
屈服强度/MPa	563	579	550
抗拉强度/MPa	872	930	892
屈强比/%	0.646	0.623	0.617
延伸率/%	48.8	45.4	47.8

图1 铸轧 (1) 和热轧 (2) 试验钢固溶态组织的XRD分析

Fig.1 Analysis of microstructure of as-cast and hot rolled steels

图2 铸轧试样凝固组织的金相照片

Fig.2 Optical photograph of solidification structure of as-cast steel

图3 热轧试样的金相照片及组织析出物的能谱分析

Fig.3 Optical photograph of hot rolled steel and composition analysis of a precipitated phase by EDX

图4 热轧试样经不同温度固溶处理30 min后的金相照片 (a) 1323 K; (b) 1373 K; (c) 1473 K

Fig.4 Optical photographs of microstructure of hot rolled steel after solution treatments

图5 铸轧态试样经不同温度固溶处理30 min的金相照片 (a) 1323 K; (b) 1373 K; (c) 1473 K

Fig.5 Optical photographs of microstructure of as-cast steel after solution treatments

图5示出了铸轧试样经不同温度固溶处理后的金相照片。可以看到在1323 K下固溶处理, 晶界上有较多的析出物, 并且在不同的温度下固溶处理试样的晶粒均比在相同条件下热轧固溶态试样的晶粒尺寸小, 这是由于铸轧过程较高的冷却速率, 使得铸轧态得到了较小的晶粒尺寸, 因此在固溶处理过程中, 铸轧固溶态晶粒仍比相同条件下的热轧固溶态小。

图6示出了热轧固溶态和铸轧态的工程应力-应变曲线。曲线 (1) 代表相同条件下热轧固溶态试样的一组应力-应变曲线, 曲线 (2) 代表相同条件下铸轧试样的一组应力-应变曲线。从图中明显的看出, 铸轧状态下试验钢的弹性模量高于热轧固溶态。图7示出了铸轧态和热轧固溶态试样基体的选区电子衍射斑点。计算结果表明, 铸轧和热轧固溶态试样的晶格常数分别为0.374和0.359 nm, 说明铸轧带材固溶了更多的C和N等间隙原子, 造成了更大的晶格畸变。另外, 由于铸轧带钢受到铸轧过程的轧制力和快速冷却作用在基体内产生了大量的位错, 造成其弹性模量高于热轧固溶态。

图8为铸轧试样拉伸断裂后断口附近的TEM照片。铸轧试样拉伸的过程中, 大部分晶粒是通过位错来变形, 图8 (a) 为高密度的平面位错。奥氏体不锈钢具有较低或中等大小的层错能 ^[10] , 易产生平面位错结构, 随着塑性变形的进行, 位错不断增殖, 当位错缠结在一起, 造成局部应力集中。孪晶的生成缓解了应力集中, 通过孪生改变晶体的位相 (图8 (b) ) , 激发进一步滑移, 促使塑性变形继续进行。有些晶粒通过孪晶协调变形, 并且在塑性变形过程中长大, 生成约十几个纳米厚的孪晶片 (图8 (c) ) 。因此, 铸轧的高氮钢薄带比相同条件下的304或403不锈钢铸轧薄带的延伸率 (0.6%～10%) 大。

图6 试验钢铸轧态 (2) 和热轧固溶态 (1) 弹性模量比较

Fig.6 Comparison of Young′s modulus between as-cast steel and hot rolled steel

图7 选区电子衍射得到的铸轧态和热轧固溶态试样基体的衍射斑点 (a) 铸轧态 a=0.374 nm; (b) 热轧固溶态a=0.359 nm

Fig.7 Electron diffractograms of matrix of as-cast and hot rolled steel

图9为热轧拉伸试样断口附近的TEM照片。几乎所有晶粒都通过一个或两个孪晶系统协调变形。两个孪晶系统同时启动时, 一个孪晶系统被另外一个阻挡, 呈梯子形状, 如图9 (b) 所示。图9 (c) 所示为形变孪晶被晶界阻挡, 形成鱼骨形状。如图9 (b) 所示, 先形成的孪晶不仅阻碍位错的运动, 而且阻碍其他{111}面上孪晶引起的塑性流动, 因而产生高的加工硬化速率, 得到较高的强度。