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奥氏体不锈钢的组织超细化技术

发布日期:2018-03-15 09:18:40 浏览次数:800

    晶粒细化是提高钢铁材料强度而不降低塑性的有效方法,因此,世界各国对钢铁材料的组织超细化技术进行了大量的研究,如日本的/超级钢铁材料‘研究计划、中国的/973*发展计划等,其组织超细化技术主要是利用大压下、变形诱导相变和反复相变来实现,适用于高温奥氏体化后冷却过程中有相变的材料。奥氏体不锈钢由于其室温组织为奥氏体,高温冷却过程中没有相变,目前采用锻造或轧制方法及随后的再结晶处理来实现晶粒细化,但这种方法很难得到大尺寸的超细组织材料。

  等径角挤压法是制备大块纳米金属材料的有效方法之一,其原理是利用有两个相交的等径通道组成的挤压模具挤压金属使金属获得大的塑性剪切变形而使金属的晶粒细化。由于两个通道的几何形状完全对称,被挤压件在变形前后的形状和尺寸不发生变化,可以通过反复挤压来获得大应变量,得到超细晶组织。具有这种超细组织结构的材料,强度显著提高,但塑性很差,极大地限制了它在工程中的应用。由于材料经等径角挤压变性后尺寸不发生变化,而且可以获得很大的应变量,储存能非常高,笔者利用此特点,通过随后的再结晶处理,获得了具有超细组织的大尺寸材料,并研究了挤压和热处理工艺对奥氏体不锈钢的晶粒尺寸与性能的影响。

  试验材料和方法试验材料选用0Cr19Ni9N奥氏体不锈钢,其化学成分(质量分数,%)为:C0试验材料锻成<10 mm的棒,经1基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2002AA302501)水冷的热处理后,加工成<8mm的试样,其原始晶次对再结晶的晶粒尺寸及力学性能的影响。退火处粒尺寸为100Lm.等径角挤压法的每道次剪切应理的试样为13道次变形后的试样,退火温度为变可按下式计算:角,等径角挤压法的示意图见。

  在本实验条件下,<=90b,30°,此时C= 1.76.试验前模具、试样均涂上MoSi润滑剂,等径角挤压变形采用每次沿同一方向转9tf的方式进行。

  显微组织观察使用图像分析仪及TEM,硬度测定值采用试样横截面上35个平均分布点的硬度值的平均值。

  试验结果及分析试验材料在室温下经1~ 3道次的等径角挤压变形后,原始组织在剪切力的作用下,发生了严重的剪切变形,出现大量的滑移带,其金相显微组织见。

  随着变形道次的增加,滑移带变形的剧烈程度增加。

  经等径角挤压变形后材料的强度可以增加2~4倍,但塑性显著降低,即使经等径角挤压变形得到了纳米级晶粒,其塑性还是很低(这主要是由于其晶界是由高密度位错组成的)。因而极大地限制了等径角挤压(冷挤压)方法在奥氏体不锈钢中应用。

  尽管奥氏体不锈钢获得这种低塑性的纳米级晶粒后的应用有限,但如能获得微米级晶粒,而且既能显著提高强度,又能保持高塑性,这样就有很好的应用前景。奥氏体不锈钢由于其室温组织为奥氏体,高温冷却过程中没有相变,目前采用锻造或轧制方法以及随后的再结晶处理来实现晶粒细化,但这种方法很难得到大尺寸的微米级超细组织材料。

  借助于等径角挤压变形法来获得微米级超细组织材料是非常有效的。由进一步的TEM微观观察表明,冷变形后的组织内部的位错密度非常高,见。有资料报道,1道次等径角挤压变形后,位错密度从退火态的109m-2增加到1013~1014m-2.由此可见,等径角挤压变形后的组织内部缺陷显著增加,储存能非常高,为再结晶提供了很大的驱动力。

  再结晶是一个形核和长大的过程,其晶粒尺寸d可表示为:d=C(u//)1/4,其中C为常数,u为长大速度,I为形核率。形核和长大都是热激活过程。

  随应变储存能的不断增大,形核率与长大速度也不断增大,而且,形核率的增加较快,因此,晶粒发生了细化。

  道次变形后进行退火处理,退火温度对显微组织的影响见。由图可见:700*C退火时,主要发生回复过程,局部高能量区域也出现了再结晶晶粒,而且可以看出有大量的碳化物析出,主要为M23C6型;800*C退火时,大部分区域均发生了再结晶,析出的碳化物也较粗大;退火温度升高850*C,发生了完全的再结晶,但此时还有较多的碳化物析出;900 *C退火时碳化物析出很少,但尺寸较大,此时的晶粒尺寸为2~7Lm,晶粒尺寸得到了显著细化;继续升高退火温度,基本上没有析出物,晶粒略有长大。

  退火温度及时间对硬度的影响见。在600~ 800*C退火,随退火温度的升高,回复过程加剧以及发生再结晶的区域增加,冷变形产生的位错密度降低,因此强度显著下降;在800*C以上温度退火,随退火温度的升高,主要是晶粒尺寸变大,因此硬度缓慢下降。

  由还可看出,退火时间延长到80min时,硬度出现差异主要发生在600~ 700*C,主要是回复程度大造成的。而在800*C以上退火时,退火时间(40min、80min)对硬度的影响很小。

  不同工艺对力学性能的影响见。可见:试样经1道次等径角挤压变形后,强度较固溶态显著提高,屈服强度提高了约27倍,但伸长率显著降低,经900*C以上的完全再结晶退火后,伸长率显著提高,接近原始固溶态的水平,此时屈服强度提高了53%~66%,这是可以应用于工程的力学性能,因此采用此工艺可以获得奥氏体不锈钢的超细组织并提高其强度。

  退火时间对晶粒尺寸的影响见。

  在950*C退火2min即发生了完全再结晶,但也有碳化物在原始变形带析出、退火时间增加到5min后,碳化物的析出很少了,此时的晶粒非常细小、均匀,晶粒尺寸约为3~ 8Lm.继续延长退火时间,晶粒略有长大,退火80min后,大部分晶粒的尺寸还保持在小于10Lm. 3道次变形,950*C退火后,试样的晶粒尺寸见。由图可见,在950*C退火2min后,2道次、3道次变形试样的晶粒尺寸比较均匀,且略小于1道次变形试样的晶粒尺寸,约为2~后,各试样的晶粒略有长大。同样,与1道次变形试样相比,2道次、3道次变形的试样的晶粒尺寸比较均匀、细小。随变形道次的增加,储存能增大,再结晶时的形核率也高,因此,再结晶的晶粒尺寸也更细小。

  3道次变形试样在950*C退火后硬度的变化见。可见:随950 *C退火时间的延长,硬度下降。随变形道次的增加,退火后的硬度也增加,2道次、3道次变形试样退火后的硬度相差不大,两者均明显高于1道次变形试样退火后的硬度。

  由此可见,增加变形道次可获得更细小、均匀的再结晶晶粒,从1道次变为2道次时这种变化非常明显。但从2道次变为3道次时变化不显著。这可能与位错密度的增加有关。

  在本试验条件下,对等径角挤压变形1~ 3道次退火时间对硬度的影响的奥氏体不锈钢0Cr19Ni9N试样进行退火处理,得到了以下结论:原始晶粒尺寸为100Lm的304N不锈钢经1道次等径角挤压变形+退火工艺进行再结晶处理后,晶粒尺寸可显著细化到2~7Lm,强度可提高50%以上,而塑性并不降低。

  增加等径角挤压变形的道次,经退火后可获得更细小、均匀的再结晶晶粒。




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