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，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，試驗鋼均發(fā)生了動態(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、動態(tài)回復(fù)、動態(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)對試驗鋼進(jìn)行高溫壓縮試驗，研究增氮降鎳對試驗鋼動態(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、試驗材料及方法

 試驗用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。

然后對鍛后的試驗鋼進(jìn)行1100℃保溫1小時的固溶處理，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熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行單道次壓縮試驗驗。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，壓縮結(jié)束后水冷，采用化學(xué)腐蝕液王水對試驗用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，是因為氮原子比鐵原子半徑小，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，通過固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化可以提高試驗鋼的抗變形強(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時的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線。在變形溫度相同時，隨著應(yīng)變速率的增加，變形初期的位錯量提高和位錯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，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，在低溫下影響不顯著，當(dāng)變形溫度在1050、1100℃時明顯觀察到應(yīng)力峰值向應(yīng)變增大方向移動。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。是因為在較高的溫度下變形時，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)散和位錯進(jìn)行交滑移、攀移的驅(qū)動力增加，有利于動態(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)力曲線為動態(tài)再結(jié)晶型；應(yīng)變量、應(yīng)變速率恒定時，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，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，不利于再結(jié)晶的發(fā)生。