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309S不銹鋼

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如何提高310S不銹鋼耐高溫強度性能

來源:至德鋼業 日期:2020-10-25 01:41:05 人氣:1027

 浙江至德鋼業有限公司本次研究基于在310S不銹鋼修改鋼中添加鈮元素來提高其高溫強度的思路,設計并制備了系列不同鈮含量的奧氏體耐高溫不銹鋼,系統研究了鈮元素對奧氏體耐高溫不銹鋼室溫與高溫力學性能、以及高溫塑性變形性能的影響,并對其機制進行了分析討論,主要結論如下:


  1. 使用Thermo-Calc軟件計算了Fe -24Cr-19Ni-1.5Mn-0.5Si-0.06C-0.05N -xNb系偽二元相圖,根據鈮元素在合金中的不同存在狀態,設計了5種不同鈮含量的奧氏體耐熱鋼并使用真空感應熔煉方法制備了相應的材料。通過對材料鍛造后顯微組織的觀察表征發現,1#(0% Nb)、2#(0.032% Nb)和3#(0.12% Nb)合金鍛后組織沒有析出相,4#(0.32% Nb)和5#(0.52% Nb)合金中有Nb(C,N)析出,且鈮含量越高,Nb(C,N)析出越多。實驗結果與熱力學計算預測相吻合。


  2. 經1100℃?1小時固溶處理并水冷后,隨著鈮含量的增加,新型奧氏體耐熱鋼的室溫抗拉強度變化不大,但是延伸率和斷面收縮率明顯降低。室溫沖擊功隨鈮含量增加先增大后減小,在鈮含量為0.036%時,合金的沖擊功達到最大值為134J。材料在700℃的高溫抗拉強度隨鈮含量的增加逐漸增加,含0.54%鈮的5#試樣的抗拉強度為~384MPa;材料在800℃的高溫抗拉強度隨鈮含量的增加先增加后降低,含0.32% 鈮的4#合金高溫抗拉強度最大,~240MPa。這是由于鈮含量小于0.32%,鈮元素的固溶強化提高材料的高溫抗拉強度,且鈮含量越高,高溫抗拉強度提高越明顯。當鈮含量大于0.32%時,Nb(C,N)相析出進一步提高了材料的高溫抗拉強度。但是晶界析出的大塊的Nb(C,N)是晶界開裂源,使材料800℃高溫抗拉強度降低。


  3. 使用Gleeble3800熱模擬實驗機對不同鈮含量的奧氏體耐熱鋼在900~1200℃溫度范圍內,0.001~10s-1應變速率條件下進行壓縮變形。發現溫度的升高或應變速率的降低都有助于促進動態再結晶。材料變形條件達到完全再結晶臨界值后,降低應變速率和升高溫度都會使完全再結晶晶粒粗化。通過對4#合金應力-應變曲線進行分析發現,流變應力隨變形溫度的降低和應變速率的提高而增大。利用Sellars雙曲正弦模型,確定了熱變形激活能Q為481.971kJ /mol。采用Laasraoui和Jonas兩段式模型建立了4#合金的高溫應力-應變方程,使用高溫應力-應變方程擬合曲線與實測結果進行對比發現實測值與模擬值吻合良好,說明所建立的高溫應力-應變模型比較準確。


  4. 基于動態材料模型和流變室溫判據,繪制了4#合金的熱加工圖。選擇應變量為0.6的熱加工圖作為熱加工參數依據。其最佳工藝參數范圍為變形溫度1120~1200℃,應變速率為0.003-0.5 s-1之間的區域,可選加工工藝參數在溫度為1030~1200℃,應變速率為0.001-0.5 s-1之間區域。失穩區主要在低溫高應變速率的部分。


  5. 對比不同鈮含量合金的特征應力發現,固溶鈮拖曳作用對流變應力的提升比Nb(C,N)析出相大。對不同鈮含量的熱變形激活能比較發現材料的熱變形激活能隨鈮含量增加而增加。固溶形態的鈮比析出的Nb(C,N)對動態熱變形激活能的提高強。同時相同變形條件下,合金峰值應力,穩態應力和飽和應力隨鈮含量增加而增加。對比不同鈮含量合金的變形組織發現固溶態的鈮和析出狀態的Nb(C,N)都能抑制動態再結晶。分析不同鈮含量合金0.6應變量的熱加工圖,最佳工藝參數區域的對應的變形速率區間隨鈮含量的升高而降低,而對應的變形溫度區間在1100~1200℃,不隨鈮含量變化而變化。

 

 1000oC 時,2# 合金在不同應變速率下的變形組織如圖所示??梢钥闯?,當應變速率為10s-1時,2#合金沒有發生動態再結晶,高應變速率下的供給材料顯微組織改變所需的能量較少,材料內部的能量難以使材料發生動態再結晶;當應變速率為1 s-1時,變形組織中在原始晶界周圍產生了一些新的奧氏體晶粒;當應變速率減慢到0.1 s-1時,變形組織以新形成奧氏體為主但是依然有少量被拉長的奧氏體晶粒;當變形速率小于0.01 s-1時,2#合金發生完全動態再結晶,隨著變形速率的減小,其再結晶晶粒尺寸不斷增大。動態再結晶是形核長大的過程,當變形速率較低時,材料中的畸變能較低,導致再結晶形核率降低,但是低應變速率下材料的有足夠的能量用于再結晶晶粒長大。因此,在較長變形時間內,再結晶晶粒的長大很充分,從而出現再結晶晶粒長大的現象。圖所示為4#合金在不同應變量下的熱加工圖。等值線圖中數字表示能量耗散率 ,斜線區域表示非穩地區域。從圖中可以看出,應變量對其熱加工圖形狀的影響較大,當應變量為0.8時,由于模擬實驗機的真空度有限,材料在高溫下氧化開裂,導致熱加工圖不符合邏輯。在變形量較小時,材料不發生開裂,對加工圖沒有影響。因此,在應變量為0.3、0.4、0.5和0.6時,材料的熱加工圖基本相似。但應變量小于0.2時,材料沒發生動態再結晶,因此選擇應變量為0.6的熱加工圖作為制定變形工藝的主要參考依據。如果310S不銹鋼在失穩區對應的加工工藝參數下進行塑性變形,可能會對其微觀組織造成不利影響,所以應該盡量避免。從應變為0.6的熱加工圖可知,其最佳工藝參數范圍為變形溫度1120~1200℃,應變速率為0.003-0.5 s-1之間的區域,可選加工工藝參數在溫度為1030~1200℃,應變速率為0.001-0.5之間區域。失穩區主要在低溫高應變速率的部分。


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