增氮降鎳對316L不銹鋼管熱變形行為的影響

 浙江至德鋼業(yè)有限公司在變形量為60%，應(yīng)變速率為0.01~0.1s，變形溫度為950~1100℃的條件下，利用Gleeble-1500D熱模擬機(jī)對不同成分316L不銹鋼管進(jìn)行了單道次壓縮試驗(yàn)，通過分析真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線、變形后組織、熱變形激活能，得到增氮降鎳對316L不銹鋼管熱變形行為的影響。結(jié)果表明，在熱變形條件下，試驗(yàn)鋼均發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；增氮降鎳后，提高了試樣的變形抗力，其熱變形激活能顯著增加，由420.26kJ-mol分別提高到514.28和473.7kJ·mol，抑制了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

 316L不銹鋼管屬于典型的鉻鎳系奧氏體不銹鋼管，具有良好的耐海水腐蝕、晶間腐蝕、沖擊韌性等綜合性能，被廣泛應(yīng)用于換熱器、醫(yī)用品、管道、化工、海洋領(lǐng)域]，但由于鎳含量較高，導(dǎo)致成本較高。研究發(fā)現(xiàn)氮作為合金元素具有穩(wěn)定奧氏體組織的作用；提高奧氏體不銹鋼力學(xué)性能和耐腐蝕性能，增加氮元素降低鎳元素可以有效減少生產(chǎn)成本。金屬在熱變形過程中伴隨著加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，而不同的化學(xué)成分影響了金屬的熱變形溫度、熱變形速率，從而對材料的最終使用性能有深遠(yuǎn)的影響。至德鋼業(yè)以增加氮元素減少鎳元素的316不銹鋼管為研究對象，利用Gleeble-1500D熱模擬機(jī)對試驗(yàn)鋼進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)，研究增氮降鎳對試驗(yàn)鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響，為控制奧氏體不銹鋼管再結(jié)晶晶粒尺寸、形態(tài)及均勻化程度提供一定的理論依據(jù)。

一、試驗(yàn)材料及方法

 試驗(yàn)用316L不銹鋼管通過在30kg真空感應(yīng)爐內(nèi)，常壓充氮以及二次布料加入氮化合金的方式冶煉獲得，其化學(xué)成分如表1。將試驗(yàn)鋼錠加熱到1200℃，保溫2h后，鍛造成25mm×25mm方坯，開鍛溫度為1150℃~1160℃，終鍛溫度控制在930℃以上，鍛后空冷。

然后對鍛后的試驗(yàn)鋼進(jìn)行1100℃保溫1小時(shí)的固溶處理，使碳化物、氮化物、碳氮化合物等固溶到奧氏體基體，固溶處理后快速冷卻。接著將經(jīng)過固溶處理的試驗(yàn)鋼用鉬絲切割機(jī)加工成p8mm×15mm圓柱試樣，在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn)驗(yàn)。試樣以20℃/s的升溫速率加熱至1150℃，保溫2min以消除加熱不均勻引起的溫度梯度，再以10℃/s的速率分別降溫至1100、1050、1000和950℃，以0.01、0.03和0.1s1的變形速率，60%的變形量進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓縮結(jié)束后水冷，采用化學(xué)腐蝕液王水對試驗(yàn)用316L不銹鋼管進(jìn)行腐蝕。

二、結(jié)果與分析

 圖為No.0、No.1、No.2試驗(yàn)用316L不銹鋼管在950、1000、1050和1100℃，應(yīng)變速率分別為0.01、0.03和0.1s下壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖可見，試驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的流變應(yīng)力曲線變化趨勢相似，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力峰值，屬于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型。從圖中明顯看出在同一應(yīng)變速率、變形溫度下增氮降鎳的No.1、No.2試樣峰值應(yīng)力、達(dá)到峰值的應(yīng)變量均高于No.0試樣，是因?yàn)榈颖辱F原子半徑小，固溶在奧氏體基體中能產(chǎn)生很大的畸變能；偏聚在晶界處的氮化物占據(jù)晶界畸變區(qū)，阻礙晶界的滑動(dòng)，通過固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化可以提高試驗(yàn)鋼的抗變形強(qiáng)度，具有較高的加工硬化率。鎳元素同樣有提高材料強(qiáng)度的作用，因此在No.1、No.2號(hào)316L不銹鋼管試樣氮含量相等的情況下表現(xiàn)出No.1試樣的峰值應(yīng)力高于No.2試樣的現(xiàn)象。

 圖為316L不銹鋼管試樣在變形溫度為950℃，應(yīng)變速率為0.01、0.03和0.1s時(shí)的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線。在變形溫度相同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，變形初期的位錯(cuò)量提高和位錯(cuò)間的相互作用使得加工硬化率迅速提高，因此峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力隨之增加。同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)力峰值沿應(yīng)變量增大的方向移動(dòng)，在低溫下影響不顯著，當(dāng)變形溫度在1050、1100℃時(shí)明顯觀察到應(yīng)力峰值向應(yīng)變增大方向移動(dòng)。試樣以應(yīng)變速率為0.01s1，溫度為950、1000、1050和1100℃的熱壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖所示。對于同一應(yīng)變速率下的熱壓縮，溫度越高，對應(yīng)的峰值應(yīng)力越低。是因?yàn)樵谳^高的溫度下變形時(shí)，加工硬化率較低，回復(fù)軟化過程容易進(jìn)行，空位原子擴(kuò)散和位錯(cuò)進(jìn)行交滑移、攀移的驅(qū)動(dòng)力增加，有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。綜合分析不同變形條件下的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線可得：氮元素的添加使得316L不銹鋼管試樣的流變應(yīng)力增幅較大，試樣的流變應(yīng)力曲線為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型；應(yīng)變量、應(yīng)變速率恒定時(shí)，應(yīng)力峰值隨著變形溫度的升高反而降低，有利于再結(jié)晶的發(fā)生；應(yīng)變量、變形溫度恒定時(shí)，應(yīng)力峰值隨著應(yīng)變速率的上升而上升，且應(yīng)力峰值向應(yīng)變增大的方向移動(dòng)，不利于再結(jié)晶的發(fā)生。