（材料加工工程专业论文）固溶时效对ocr16ni16钢微观组织和力学性能的影响研究.pdf

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、水冷的固溶处理，固溶过程中产生回复再结晶过程和碳化物回溶 入固溶体成为过饱和固溶体，固溶过程使的第二相的回溶降低了第二相强化的 效果，降低了对第二相对位错的钉扎作用，再结晶晶粒细化，基体晶粒尺寸变 小。 对0 c r l 6 n 订6 奥氏体耐热钢在最后的时效处理7 6 0 下不同时效时间对钢的 组织、硬度和强度的影响。试验表明，随着时效时间的延长，晶内析出物增多， 晶界伴随层状组织析出，室温拉伸强度初始上升，后下降，呈正态曲线。主要 的强化因素是第二相强化，随时效时间的延长第二相是一个数量和尺寸同步变 化的过程，而体积分数是平衡它们之间的杠杆，尺寸增长的同时，伴有小质点 的第二相逐渐消失，时效处理后第二相强化的机制是绕过机制。 综合试验结果来看，0 c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热不锈钢经过形变温度8 5 0 下， 形变量5 0 的拔长形变，水冷处理。进行固溶温度1 0 5 0 ，固溶时间2 h 的固溶 处理，水冷；再进行时效温度7 6 0 ，时效时间5 h ，空冷的工艺下得到的力学 性能最好，室温抗拉强度达到7 3 1m p a ，屈服强度5 7 0m p a ，高温抗拉强度、塑 性指标也完全达到要求。 关键词：奥氏体耐热钢，固溶时效，显微组织，力学性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t a c t 0 c r l6 n i16s t e e li sas p e c i a lp e r f o r m a n c e ，t h eu s eo fan e wt y p eo fl a r g e h e a t - r e s i s t a n ta u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，t h em a t e r i a lr e q u i r e dt ob ea b l et ou s et h e u l t r a - l o n g ( 3 10 4 h ) a t6 0 0 u n d e rt h ec o n d i t i o n so fu s eo ff o r c e ，w i t hh i g h e ra t r o o mt e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c r e e p r e s i s t a n c ea b i l i t y i nt h i s p a p e r ，0 c r l6 n i l6a u s t e n i t i ch e a tr e s i s t a n ts t e e la st h e r e s e a r c ho b je c t ，c o m p l e t ew i t hd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h e i rs o l u t i o na n d a g i n gp r o c e s st e s t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eb ym e a n so fa n a l y s i so f d i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s o l u t i o na n da g i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ep a r a m e t e r so n t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l0 c r l6 n il6i m p a c t i o n t e s t e d h a r d n e s s ，s t r e n g t h ，r o o mt e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ea f t e r s o l i ds o l u t i o na n da g i n go n0 c r l6 n il6a u s t e n i t i ch e a tr e s i s t a n ts t e e l e x p l a i n e dt h e s o l u t i o n sh e a t r e s i s t a n ta n do b t a i ng o o dr e s u l t s c r l 6 n il6a u s t e n i t i ch e a t r e s i s t a n ts t e e li nd e f o r m a t i o n p r o c e s s e di r r e g u l a r b o u n d a r yc o n f u s i o n ，ac e r t a i ni n c r e a s eo fi t ss t r e n g t h ，w i t hu n s t a b l ea n g i n a f o rt h e d e f o r m e d0 c r l6 n il6a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e10 5 0 s o l u t i o n t i m e2 h ，w a t e rc o o l e dt h es o l u t i o nt r e a t m e n t ，s o l u t i o np r o d u c e dd u r i n gt h e p r o c e s so f r e c o v e r y a n dr e c r y s t a l l i z a t i o nd i s s o l v e dc a r b o nb a c ki n t os o l i ds o l u t i o ns u p e r s a t u r a t e d s o l i ds o l u t i o n ，s o l i ds o l u t i o n t h es e c o n dp h a s eo ft h ep r o c e s st od i s s o l v el o w e r b a c k s t r e n g t h e n i n ge f f e c to fs e c o n dp h a s e ，r e d u c e dr e l a t i v et ot h es e c o n dp i n n i n g e f f e c to fd i s l o c a t i o n s ，r e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i nr e f i n e m e n to fm a t r i xg r a i ns i z es m a l l e r 0 c r l6 n il6a u s t e n i t i ch e a t - r e s i s t a n ts t e e lo nt h ea g i n gt r e a t m e n ti nt h el a s t7 6 0 f o r d i f f e r e n tt i m eo ft h es t e e l ，h a r d n e s sa n ds t r e n g t h t e s t ss h o w e dt h a tw i t ht h ea g i n g t i m e ，i n c r e a s e di n t r a g r a n u l a rp r e c i p i t a t e s ，g r a i nb o u n d a r i e sw i t hl a m e l l a rp r e c i p i t a t e s ， t h ei n i t i a li n c r e a s ei nt e n s i l es t r e n g t ha tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e nd e c r e a s e d ，s h o w i n g a n o r m a lc u l w e t h em a i nf a c t o ri st h es e c o n dp h a s e s t r e n g t h e n i n ge n h a n c e d ， e x t e n d e d a g i n gt i m e ，t h es e c o n dp h a s ei sac h a n g ei nt h en u m b e ra n ds i z eo ft h e p r o c e s so f s y n c h r o n i z a t i o n ，a n dt h ev o l u m ef r a c t i o no ft h e1 e v e ri sb a l a n c e db e t w e e n t h e m ，t h es i z eg r o w t h ，a c c o m p a n i e db yas m a l lp a r t i c l eo ft h ef i r s tt w o p h a s e i i 武汉理工大学硕士学位论文 g r a d u a l l yd i s a p p e a r e da f t e rt h es e c o n dp h a s es t r e n g t h e n i n ga g i n gm e c h a n i s mi st o o r o w a ns t r e n g t h e n i n gt h e m e c h a n i s m c o m p r e h e n s i v et e s tr e s u l t sp o i n to fv i e w ，0 c r l6 n i16a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l a f t e rh e a td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo f8 5 0 ，t h ed e f o r m a t i o no f5 0 s t r e t c h i n g d e f o r m a t i o n ，w a t e rc o o l e dt r e a t m e n t t h es o l u t i o nt e m p e r a t u r e10 5 0 ，2 hs o l u t i o n t i m es o l u t i o nt r e a t m e n t ，w a t e rc o o l e d ；f u r t h e ra g i n gt e m p e r a t u r eo f7 6 0 ，a g i n g t i m e 5 h ，c o o l e db ya i rc r a f tt h e b e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so b t a i n e da tr o o m t e m p e r a t u r e t e n s i l es t r e n g t ho f7 3 1 m p a ，y i e l ds t r e n g t h5 7 0m p a , h i g h - t e m p e r a t u r e t e n s i l es t r e n g t h ，p l a s t i c i t yi n d e xa l s of u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：a u s t e n i t i ch e a t - r e s i s t a n ts t e e l ， s o l u t i o na n da g i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i h b s t a c t ：【i 第l 章绪论1 1 1 概j 遣1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究的基本情况2 1 2 2 国内研究基本情况6 1 3 课题研究的内容和意义8 1 3 1 课题研究的内容8 1 3 2 课题研究的意义8 第2 章奥氏体钢固溶时效及微观组织理论1 0 2 1 奥氏体不锈钢的化学成分及合金化的意义1 0 2 1 1o c r l 6 n i1 6 奥氏体不锈钢化学成分1 0 2 1 2 不锈钢合金化的意义1 0 2 2 回复再结晶理论1 5 2 2 1 回复阶段1 6 2 2 2 再结晶阶段1 7 2 2 2 钢铁材料中第二相的定义1 9 2 2 3 第二相对基体晶粒尺寸的影响2 0 2 3 奥氏体钢中的第二相2 1 2 3 1 碳化物沉淀2 1 2 3 2 金属间相的形成2 3 2 3 3 第二相与位错的交互作用2 4 第3 章o c r l 6 n i1 6 钢固溶时效试验研究2 9 3 1 毛坯材料固溶时效工艺前的形变处理2 9 3 2 固溶处理试验设计3 1 3 2 1 固溶温度的选取3 1 3 2 2 固溶时间的选取3 3 3 3 时效处理的试验设计3 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 4o c r l 6 n i l 6 奥氏体钢力学性能的试验3 4 3 4 1o o c r l 6 n i1 6 奥氏体钢室温拉伸试验3 4 3 4 2o c r l 6 n i l 6 奥氏体钢高温瞬时拉伸试验3 5 3 4 3o c r l 6 n i1 6 奥氏体钢的塑性测试3 6 3 5o c r l 6 n i1 6 奥氏体钢显微组织观察3 6 3 6 试验方案定案分组3 6 第4 章o c r l 6 n i l 6 奥氏体钢试验结果分析与讨论3 8 4 1 原始状态o c r l 6 n i l 6 钢试样力学性能3 8 4 2 工艺方案a 的力学性能与微观组织分析3 9 4 3 工艺方案b 的力学性能与显微组织分析4 0 4 4 工艺方案c 的力学性能与微观组织分析4 2 4 4 1 室温力学性能的分析4 2 4 4 2 方案c 微观组织观察分析4 4 4 5 讨论与小结4 6 第5 章结论与展望4 8 5 1 结论4 8 5 2 展望4 9 致谢5 0 参考文献5 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 我国目前的紧固件生产随着经济的发展需求也有一定程度的发展，紧固件 的钢利用率在8 0 左右，往往采用含硫易切削钢和非金属夹杂物含量低的钢。 为了满足一些特殊环境下工作要求，往往需要紧固件的材料是具有良好的性能。 不锈钢紧固件由于其具有良好的耐腐蚀性，较高的强度无需涂喷和电镀，可以 回收再利用，使用寿命高。 近年来由于火力发电机组容量的提高，对高温环境下紧固件的使用性能和 寿命不断提高，根据欧洲标准，在5 0 0 - - 6 5 0 下长期使用的，应采用n i 9 、 c r 1 2 的奥氏体耐热钢作为标准件应用，x 7 材料牌号的奥氏体耐热钢 x 7 c r n i m o b n b l 6 1 6 ( 0 c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热不锈钢) 是英国e n l 0 2 6 9 ：1 9 9 9 标 准下的牌号，该标准包括了2 0 0 0 年4 月和6 月做的修改，替代已撤销的 b s l 5 0 6 ：1 9 9 9 ，x 7 是在x 8 c r n i m o b n b l 6 1 6 之后发展而来，降低了其中的碳含 量才出现的牌号。x 7 一般应用于高温高强度抗腐蚀抗蠕变高寿命的紧固件上， 所以也经常被归类为紧固件不锈钢，机械性能较高，耐腐蚀性好，显微组织稳 定，符合大容量火力发电机组和燃气轮机上的重要部件的紧固件要求。 通常从化学成分上来讲，不锈钢是以铁和碳为基础的含有较多合金元素的 高合金钢的一种，而从物理和化学性能上来讲，它是一种特殊钢。虽然不锈钢 的分类很广泛，包括了耐酸钢、不起皮钢、耐热钢、电阻合金等，但是它们都 有一项共同的特点：在空气以及弱腐蚀介质中具有抗腐蚀性。机械部件失效的 主要原因就是受周围介质的化学和电化学作用而腐蚀。而不锈钢在与周围介质 接触时，会在其表面形成一层几微米的钝化膜( c t 0 3 ) ，起到保护作用。 自2 0 世纪初西方各国陆续的发现f e c r 和f e c r - n i 合金的各项优异的特性， 以及对理论的发展，不锈钢这一名词几乎同时在几个工业强国出现。而奥氏体 不锈钢生产量和使用量占不锈钢总量的7 0 以上，常用钢号最多，奥氏体不锈 钢的真正发展是开始于1 8 8 型铬镍不锈钢，作为最典型的也是最基础的代表， 这种含铬w ( c r ) 1 8 ，含w ( n i ) = 8 1 0 ，俗称1 8 8 型钢，基本上所有的其他 奥氏体不锈钢都是从它的基础上发展起来的。目前世界上使用最广泛的不锈钢 牌号是奥氏体1 8 9 型钢材，比如3 0 4 和3 0 4 l 型奥氏体不锈钢，这两型产品约占 武汉理工大学硕士学位论文 全球不锈钢产量的5 0 以上，奥氏体不锈钢被国外缩写简称为a s s ( a u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e l s ) ，它通常被应用为结构材料，这有赖于它优异的抗腐蚀性和良好 的机械性能的结合。基本可分为c r - n i 以及c r m n 两大系列，c r - m n 系是用m n 替代n i 实现奥氏体化。奥氏体不锈钢具有优异的延展性，具有高量冷变形的能 力、良好的高强度和加工硬化性能。奥氏体不锈钢的电阻率很低，磁导率很小， 被称为非磁性材料，具有稳定的奥氏体组织，对其进行大变形量的形变加工也 不会产生磁性，具有较为固定的物理特性。c r - n i 系奥氏体不锈钢经过多年研究， 随着各合金组元及其含量对奥氏体不锈钢性能和组织的影响不断研究，发展出 多合金组元的各型牌号钢，加入了钼、铜、硅、铌、钛等元素的低碳高c r - n i 钢能够大幅的提高耐晶问腐蚀性，而对通常认为的有害的生产中不可避免的元 素，如氮、硫、磷等的含量控制可以使其性能达到要求的条件。 耐热钢是在高温条件下具有良好化学稳定性或较高强度的钢，国家标准 g b t 2 0 8 7 8 2 0 0 7 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分将过去具有各自国家标准 的不锈钢和耐热钢结合在了一起。不锈钢的金相组织同其化学成分和而处理状 态有密切关系，根据g b t1 3 3 0 4 1 2 0 0 8 按照钢的金相组织分为马氏体不锈钢、 奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体一铁素体双相不锈钢、沉淀硬化型不锈钢 五大类。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究的基本情况 随着经济的快速发展，各类强化手段的发展使大家更加的重视低合金钢和 低碳钢高温状态的下的变形问题，相变后的铁素体晶粒尺寸与高温下奥氏体的 晶粒尺寸密切相关，奥氏体的相变以及相变后的性能都决定了钢的性能。不过， 一般低合金钢在冷却后高温奥氏体的状态和组织都没有保留的，所以，对于研 究奥氏体不锈钢以及高合金不锈钢的必要性越发的受到关注，这也是改进和发 展奥氏体钢热加工工艺的另一个主要目的。 加拿大麦克奎因教授与日本田村今男教授在1 9 8 0 年受合工大邀请来华讲学 时，提出的奥氏体钢以及奥氏体合金在热加工中的组织和性能的机构，主要有 五种：动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶。区分 动态回复再结晶与静态回复再结晶的分隔点在于是否在有应力状态下，如果是 2 武汉理工大学硕士学位论文 在无应力状态下产生的回复和再结晶，那么就是静态回复和再结晶，反之则为 动态回复和再结晶。这个应力来源于形变，所以也可以说，形变过程中发生的 回复和再结晶是动态的。而晶粒在形变结束后长大，但是是在形变中形核的， 称之为亚动态再结晶。而根据田村今男教授对1 8 8 型奥氏体不锈钢和1 8 n i 马氏 体时效钢的动态再结晶的研究，他指出形变速度越低，高合金钢经过动态再结 晶得到的晶粒越大，与普通碳钢晶粒的差别越接近。1 8 8 型奥氏体不锈钢在热 加工中没有相变发生，所以目前工业中利用的是稳定亚结构进行强化，得到稳 定亚结构的办法通常是静态回复或动态回复。 藤田辉夫等人的研究指出即使升温到高温，奥氏体开始再结晶，与此同时， 碳化物和盯相分解固溶到奥氏体基体中，再依靠快冷，能把这种固溶碳的奥氏 体状态保持到常温，但是这种淬火的操作由于奥氏体是软的，不会硬化，用快 冷的方法也软化，所以并不能叫淬火，通常叫做固溶处理。研究表示，s u s 2 7 奥氏体钢含碳在0 0 8 以下，碳全部固溶入基体中，6 0 0 时碳的固溶度只有 0 0 2 ，常温时候更低，因而就会有碳化物析出，析出的机理是碳原子的原子半 径小，超过了固溶极限的碳无法存在于奥氏体晶粒内，只能沿晶界析出，但是 这一部分的不稳定碳会与周围基体的c r 形成碳化铬而稳定化。从而使晶界贫铬， 产生始于晶界的被腐蚀状态。由于c r 的院子半径大，很难扩散到晶界的贫c r 区域中。就3 0 4 钢的碳化物固溶而言，于1 0 6 5 需要3 分钟，于11 7 6 需要1 5 分钟，而1 0 0 0 需要1 0 分钟【l 】。由此可以看出加热温度越高越好，丹药根据引 起晶粒长大和生成氧化皮的情况来规定温度。特别需要指出的，该学者特别说 明，由于含n i 越高谈话问的固溶扩散越缓慢，所以要提高固溶化的温度。 奥氏体不锈钢中是否会形成铁素体的研究方面，许多学者进行了大量的研 究工作，提出了c r 当量和n i 当量的概念以及经验计算公式，其中最有名的是 用于描述金属焊缝组织与铬镍当量关系的s c h a e f f i e r 图和d e l o n g 图。如图1 1 所示： 3 武汉理t 大学硕士学位论文 铬q 1 量= c r 删o + 1 5 * ? o si + 0 5 糕n b ( a ) s c h a e f f i e r 图 铬当量- - c r + m o + 1 5 椭s i + o 5 木n b ( b ) d e l o n g 图 图1 1 不锈钢焊缝的组织( a ) s c h a e f f i e r 图( b ) d e l o n g 图 通常情况下，常见的奥氏体不锈钢中即使生成铁素体，其含量也不过是百 分之几，而且往往在铸造状态下的铁素体含量较多，这是由于铸造过程中的组 4 hh皇舞*盼o+z毋*o+，)毋*o：+州z寥i一l，l，登 il蓦霉10+z口霉o+u口霉o+一z96=“啊新涨 武汉理工大学硕士学位论文 织成分偏析比较严重，而通过固溶处理或者热变形加工可以缓解甚至彻底消除 铁素体的出现，而经过处理的奥氏体不锈钢变形材中的残留在奥氏体基体晶界 上的铁素体是无法再加工或者热处理来消除的。所以从根本上来说，增加奥氏 体的形成元素含量n i 是首选的办法，但是从资源和经济的角度出发，也可以用 氮和锰来取代n i t2 1 。所以，h a m m o n d 对于变形奥氏体不锈钢也提出了预测铁素 体含量的h a m m o n d 图，见图1 2 ，它更加体现了奥氏体变形材比铸造材铁素体 含量低的理论。 长 0 一 、一 ， 器 铬当鲢 图卜2h a m m o n d 图铬当量= c r + m o + 1 5 s i 镍当量= n i + 3 0 ( c + n ) + 0 5 m o 对于奥氏体不锈钢中出现的金属间相，也是不断的研究和发展，这些两种 或者两种以上的金属元素构成的金属间化合物通常简称中间相，广义上来说， 凡是以元素周期表中b 过渡族原素锰、钴、铁、镍等作为集体，含有a 副族元 素钛、钒、铬等的合金系形成的金属箱。影响这些相出现的因素是电子原子比、 原子半径和可压缩度。常出现在奥氏体不锈钢中的有c l r 相和l a v e s 相等。 w o o d y a t t 等人提出了计算镍基奥氏体合金中盯相的形成倾向，计算电子空位数 ，的判定方法： 5 武汉理工大学硕士学位论文 v = o 6 6 m + 1 7 1 c d + 2 6 6 凡+ 4 6 6 ( c 厂+ 胸+ 形) + ( 1 - 1 ) 5 6 6 v + 6 6 6 z p + 1o 6 6 肋 当，大于2 5 2 ，该合金就会有仃相生成，可以大体上判定奥氏体不锈钢中 的盯相形成倾向和稳定度【3 】。对于从显微组织角度来分析奥氏体不锈钢的性能有 重要作用。 国外还对于奥氏体不锈钢各合金成分的定量对于强度的影响进行了深入的 研究，对于间隙元素对于强度的影响作用，研究显示：硅、镍、钼在2 0 5 5 0 有最大的增强作用，铜、锰降低强度，铬会随着温度对强度的影响有所变化， 并且建立了各合金组元与奥氏体不锈钢的理论屈服强度之间的线性模型。 1 2 2 国内研究基本情况 国内对于不锈钢的研究比较广泛，在研究合金金属学和研究金属物理中， 关于不同合金晶体结构和组织构成的主要原理是总体理解不锈钢以及合金强度 的主要问题。合金钢的力学性能和强化相的分布有密切的联系，只有强化相沿 着整个晶粒匀称分布时，对合金钢的强化才是最好的。另一方面，回复再结晶 的过程中，形核的新晶核对合金钢的影响非常小，只有那些长大生长的晶核才 会对合金钢的力学性能产生很大影响。 对于o o c r l 6 n 订6 奥氏体钢，经过国内学者的探索和研究，对其形变热处理 的加工中高温形变与中温形变各形变因素如：形变量、形变温度等对材料性能 影响的研究指出：中温形变8 5 0 比高温形变11 0 0 引进的位错数量要高出约2 个数量级，并且同样5 0 形变量下，中温8 5 0 下材料的强度约提高1 0 ，高温 瞬时拉伸强度提升5 左右【4 】。另有研究指出：该材料的应力松弛性能与形变温 度和形变量的直接关系，形变温度越低，应力松弛性能越好【5 】。 国内主要将奥氏体耐热钢的固溶时效研究放在从显微组织和力学性能上来 选取出一种最合适的固溶时效工艺，来满足对不同牌号钢种不同实际的应用要 求，并从第二相的角度来解释固溶时效工艺对力学性能和材料特性的改变。郝 红元，曹士锐，郝曜等人根据研究指出，固溶时效处理的强化机理属于固溶强化、 析出强化( 碳化物强化和金属间化合物强化) 亚稳定晶界强化等复合强化，文 献 6 研究表明：以c r 、n i 、w 、m o 为主的多元复合强化的新型奥氏体型铁基 合金在经过固溶工艺1 1 6 0 1 1 8 0 两小时水冷，时效处理7 6 0 五小时空冷后， 6 武汉理工大学硕士学位论文 经过电化学分析方法点解萃取物相分析的手段，测定合金的第二相数量，合金 可以得到m 。c 、l a v e s 相、m ，e 相、仃相等弥散均匀分布在奥氏体基体上，并 且m 。c 和l a v e s 相事主要的高温强化相，这种工艺下的试样取得了更加良好的 力学性能表现。 文献 7 主要针对1 c r l1 n i 2 3 t i 3 m o b 奥氏体热强不锈钢的固溶时效处理进行 研究，研究表明：经过固溶处理后，一级时效温度对热强性能影响较大，在7 3 0 7 8 0 温度范围内，强度随时效温度的增加而略有下降，塑性变化不明显， 而在6 0 0 高温的使用寿命明显降低，时效过程中奥氏体基体上大量的第二相 n i 3 ( a i t i ) 作为主要强化相析出，时效温度越高，析出相尺寸越大，共格强化作 用被大为降低，导致高温持久性能降低。 以上主要是从第二相的角度出发来分析研究奥氏体不锈钢的不同固溶时效 工艺对其力学性能的影响，而从另一方面来说，除了第二相以外，晶粒在固溶 过程中存在的回复再结晶对于奥氏体不锈钢的力学性能的影响也不可忽视。因 而一些学者将目光放在奥氏体不锈钢在固溶时效工艺中的回复和再结晶对晶界 的强化和弱化作用，来以此分析这种晶界与晶粒之间密切的关系。随着固溶温 度的升高与析出相溶解的同时，奥氏体晶粒开始长大。开始时缓慢增大，而后 则速度加快。粗大的晶粒会降低室温强度，但对告高温强度有利。 除了固溶时效处理前后对第二相和回复再结晶方面的研究以外，在对于不 锈钢的应用研究中，起步较早的是n b 在高合金不锈钢中研究，且卓有成效，但 是由于n b 资源的开发问题，导致n b 的应用进展缓慢。目前高合金钢的合金组 元中大部分都加入了n b ，无论是马氏体耐热不锈钢还是奥氏体耐热不锈钢，n b 对于固溶时效处理的作用非常大，现在国内许多学者都将研究着眼于利用w 、n 、 b 固溶强化弱化带，n b 的沉淀强化仍不失去作用，从而开发改性的新钢种。有 研究表明，强化不锈钢而不丢失耐腐蚀性的沉淀强化相最好的就是n b c r n ( z 相) 【8 1 ，这个沉淀相产生于1 0 5 0 固溶处理，它有非常好的提高强度、改善耐腐 蚀性的作用，并且还能作为m ，c 6 成核的场所。 从以上国内外研究发展来看，随着越来越多的各型奥氏体不锈钢应用更趋 于实际，对于它们的性能要求也越来越严格，从而奥氏体不锈钢的固溶时效处 理工艺是一个重要的研究方向，但是对于奥氏体不锈钢的最终性能的影响因素 众多：合金元素的含量和添加量、第二相的构成以及分布、基体和间隙相的晶 粒的尺寸等等，而一项工艺又往往会这些因素产生很大的影响，而且往往奥氏 体不锈钢的耐热性和常温力学性能要达到某种设计要求的平衡需要两方面都考 7 武汉理工大学硕士学位论文 虑的一个良好的工艺。所以这个问题变成了国内外学者力图探求解答和努力完 善对奥氏体不锈钢家族的一种理解。随着这种不断的突破和完善，在生产应用 上也会有更多更好的发展和选择。 1 3 课题研究的内容和意义 1 3 1 课题研究的内容 近年来，由于火力发电机组容量的提高，对高温环境下紧固件的使用性能 和寿命要求不断提高。根据d l 4 3 9 1 9 9 1 火力发电厂高温紧固件技术导则， 在5 6 0 到6 2 0 下长期使用，应采用n i 9 、c r 1 2 的奥氏体耐热钢作为紧 固件应用。在使用和试验过程中，发现0 c r l 6 n i l 6 钢高温强度、蠕变都可满足 要求，反而在常温下设备安装时，有强度不足的问题。分析原因发现，单相合 金在固溶后有部分饱和固溶体析出物量不足够，未能形成有效强化。 为提高0 c r l 6 n i l 6 室温强度。根据单相合金形变强化机理，增加组织准备， 因形变工序后锯齿形晶界的贫铬易蚀问题【9 d 0 1 ，在形变后增加时效，使过于突出 的齿尖圆角化。从而达到室温强度和高温耐蚀满足要求，需要进行固溶时效强 化。 奥氏体不锈钢在常温下为奥氏体组织，o c r l 6 n i l 6 钢具有稳定的奥氏体组 织，属于奥氏体不锈钢，它在各种的腐蚀环境中都发挥出良好的耐腐蚀性、耐 热抗蠕变和全面的综合力学性能、优秀的加工性能，被作为是紧固件的理想材 料。 本论文以0 c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热钢为研究对象，完成对其进行不同时间和 温度的固溶时效工艺试验，通过力学性能试验和金相分析的手段来分析不同工 艺参数下，固溶时效温度和时间参数对o c r l 6 n i l 6 钢组织和力学性能的影响。 检测o c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热钢的组织、硬度和强度，以此分析室温力学性能的 主要影响因素，一分为二的来分析固溶和时效对0 c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热钢的显 微组织和力学性能的规律，以此来解释0 c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热钢的固溶时效机 理，总结固溶时效工艺与微观组织的关系，以期得到一个最良的工艺，平衡室 温力学性能和高温力学性能。 1 3 2 课题研究的意义 8 武汉理工大学硕士学位论文 在特殊的使用环境下，对紧固件的要求更为苛刻，高合金耐热不锈钢在紧 固件行业中具有重要的地位，是普通碳素结构钢作为高强度紧固件很难取代的， 紧固件行业作为各个工业领域的必须品，它的发展从一定程度上决定了工业的 水平，我国紧固件行业长期处于高端产品依赖进口的处境，所以紧固件行业也 是国家重点基础研究的方向。 0 c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热钢是一种近年来才出现的新型奥氏体耐热钢，国内对 其的研究相对匮乏，作为汽轮机和火力发电机组紧固件的材料，对其的要求也 是不仅需要室温强度，更要求高温强度和持久性，所以，为了解决0 c r l 6 n 订6 奥氏体耐热钢在以往工艺下满足高温强度后室温强度反而下降的问题，经过研 究0 c r l 6 n i l 6 奥氏体耐热钢的固溶时效工艺，以总结其工艺的效果和规律，同 时分析微观组织的变化的影响因素，具有重要的意义。 9 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章奥氏体钢固溶时效及微观组织理论 2 1 奥氏体不锈钢的化学成分及合金化的意义 2 1 10 c r l 6 n i l 6 奥氏体不锈钢化学成分 本研究工作材料化学成分如表l 所示，应当符合表1 中的化学成分规定。成 分元素单位为质量分数( ) 表10 c r l 6 n i l 6 化学成分 2 1 2 不锈钢合金化的意义 众所周知，不锈钢的卓越性能完全依据其中大量的合金元素的加入。大量 合金元素的加入使不锈钢材料组织在特殊使用环境( 高温、腐蚀等) 下能够保 持稳定。不发生相变、元素脱溶或者析出，晶界稳定、位错运动缓慢，微裂纹 扩展停顿等。上述组织在特殊环境下的“稳定 行为早就了人们所期待特殊使 用性能。 铬( c r ) 、镍( n i ) 两元素时铁基不锈钢使用历史最长，效果突出的化学 元素，除此之外，还有锰( m n ) 、氮( n ) 等新兴化学元素的加入。 合金元素对于奥氏体不锈钢的组织和性能的影响巨大，在不同的冶炼情况 下和不同的使用环境，也赋予了各合金元素不同的意义，所以本节着重介绍主 要合金元素对奥氏体不锈钢组织和性能的主要影响。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 一n 、 一瑜 481 9 1 6 元素，a t 图2 1 一些合金元素对奥氏体屈服强度的影响 各合金元素对奥氏体屈服强度的影响【1o 】见图2 1 ，由图中可见，i 是奥氏体形成 元素，间隙型原子；是铁素体形成元素，置换型原子；i 是奥氏体形成元素， 置换型原子。以下是总结多年文献基础上，对常用不锈钢元素作用的定性分析 及评价。 1 碳( c ) 影响。对于奥氏体不锈钢而言，碳的稳定形成奥氏体和扩大奥 氏体区域的能力非常优异，在形成奥氏体的能力方面，碳是镍的3 0 倍之多。并 且碳作为一种间隙元素，在固溶强化中可以大为的增强奥氏体不锈钢的强度， 但是相应的会使塑性和韧性下降，但是由于碳和铬的亲和力很强，往往正是由 于在高铬奥氏体不锈钢中其容易与奥氏体不锈钢中的铬形成高铬的c 巧，c 6 型碳 化物【1 1 12 1 ，从而导致局部铬的贫化，弱化了晶间的抗腐蚀性，所以碳常常被视 为有害元素而限制其的含量，在保证强度的情况下尽量的降低碳的含量，并且 在热冷加工和热处理等过程中也要防止不锈钢表面的增碳【l 引，因此含碳量通常 选取在0 0 4 - - 0 1 0 之间。 2 铬( c r ) 影响。铬是奥氏体不锈钢中最主要的重要合金元素，铬能在钢表 面产生致密的c b q 作为保护膜【3 】来阻止钢被继续的氧化，促进钢的钝化，并使 钢保持长期稳定的钝化状态。奥氏体不锈钢的铬含量越高，钢的抗氧化性越发 的好，当铬含量超过1 2 时，钢的抗电化学抗腐蚀的能力将大大提高，这是由 于它提高了钢的电极电位【14 1 。一般来说，只要奥氏体不锈钢保持完全奥氏体阻 止而没有铁素体等的形成，仅提高钢中的铬含量不会对力学性能有显著影响， 啪 拙 啪 o 瑚。 对曼甚锹g r 毯睽唾 武汉理下大学硕十学位论文 铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐腐蚀性，铬提高钢的耐氧化性介质和酸 性氯化物介质的性能，在镍以及钼和铜的复合作用下，铬提高钢耐一些还原性 介质、有机酸、尿素和碱介质的性能【l5 1 ，铬还提高钢耐局部腐蚀，比如晶间腐 蚀、点腐蚀缝隙腐蚀以及某些条件下应力腐蚀的性能，对奥氏体不锈钢晶间腐 蚀敏感性影响最大的因素是钢中的碳含量，其他元素对晶间腐蚀的作用主要视 其对碳化物的溶解和沉淀形成的影响而定，在奥氏体不锈钢中，铬能增大碳的 溶解度而降低铬的贫化度，因此铬含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀能力有提 高的作用。从组织上来看，在奥氏体不锈钢中，铬属于一种铁素体的形成元素， 并能稳定铁素体，会使奥氏体区缩小，如图2 2 所示，为了获得单一的奥氏体组 织，在一定碳含量下，铬含量和镍含量互相制约。 图2 2 铬对含o 1 碳的奥氏体不锈钢最低镍含量的影响 当铬含量超过1 2 时，奥氏体不锈钢的导热性会降低，所以这时的加热速 度要保持缓慢加热，条件允许的情况下要进行预热。碳化铬在8 0 0 时碳的极限 溶解度约为0 0 5 ，升温至11 0 0 时，这个数字将达到0 5 ，因此要想在室温 下得到过饱和的奥氏体固溶体，固溶处理时的温度应当选取的温度区间在 1 0 5 0 , - , 11 5 0 。c t l 6 】，这时将能使碳化铬全部溶解，形成饱和固溶体。当重新加热或 者缓慢冷却到5 5 0 - - , 8 0 0 区间时，饱和固溶体中的碳化物将会重新析出，首先在 奥氏体基体晶界上成核长大，各类碳化铬析出物中，c r a 是典型的成核长大过 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 程。解决办法：进行固溶处理( 9 5 0 - - 11 0 0 ) ，使c r 2 3