（钢铁冶金专业论文）铌钛双稳定tcs钢热稳定性研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 t c s 铌钛双稳定铁素体不锈钢，是一种低铬镍铁素体不锈钢。钢中加入的 微合金元素、面，与c 、n 结合形成碳氮化物，起到固碳( 氮) 保铬的效果， 增强了钢的耐晶间腐蚀性能。但是，t c s 焊接热影响区( h a z ) 的韧性较差，限 制了它的推广和应用，有必要对t c s 焊接h a z 的组织和性能演化规律进行研 究，以改善其焊接性能。鉴于h a z 较窄( 仅有3 - 5 m m ) ，研究起来相当困难， 而焊接过程是一个特殊的热处理，即母材在很短的时间内经历了一个快速的加 热冷却过程。本文从t c s 钢组织热稳定性着手，通过热力学计算、传统热处理 工艺和科学先进的热模拟技术，进行系统全面的研究t c s 钢组织和性能受不同 热作用时的演化规律，从而为进一步改善h a z 的性能提供参考。 本文研究发现双稳定t c s 不锈钢的室温组织为铁素体+ 少量的低碳马氏 体，微合金元素主要以两类化合物的形式存在，即：富m 的氮化物t i t n b ) n ， 晶粒尺寸在2 5l am 左右；以n b 为主要元素的碳化物n b ( t i ) c ，晶粒细小，多 在2 0 5 0 n m 。 根据t h e r m o e a l e 和p a n d a t 的软件计算结果，参考热分析测试结果和原 位观察结论确定：t c s 不锈钢的初始凝固温度为1 5 0 0 c ，1 4 9 0 凝固完成为高 温铁素体组织，低于1 2 5 0 进入高温铁素体和奥氏体双相区；1 1 1 0 8 2 5 为 奥氏体存在的大致温度区间；8 2 5 时开始发生奥氏体向常温铁素体住址转变 ( y q ) ，7 2 5 以下为常温铁素体组织。 采用传统热处理试验研究表明：9 0 0 以下t c s 钢具有很好的热稳定性； 当热处理温度为1 0 0 0 c 1 2 0 0 时，淬火后组织中马氏体含量增多，促使钢硬 度、抗拉强度增大，冲击韧性和延伸率降低；温度高于1 2 0 0 时，高温铁素体 ( 8 ) 组织开始形成，使得硬度和抗拉强度开始下降。1 3 0 0 ( 2 以上长时间保温使 得晶粒异常长大，材料的强度和硬度与未处理试样相当，冲击功和延伸率显著 下降。 通过热模拟试验发现：峰值温度低于1 2 0 0 时，t c s 钢的组织热稳定性较 好，热模拟试样组织晶粒长大不很严重，从母材的1 0pm 长大到5 0um 左右； 上海大学硕士学位论文 当峰值温度高于1 2 0 0 时，晶粒有异常长大现象，晶粒平均尺寸迅速长大到几 百个微米，材料韧性严重降低，组织脆化。 原位观察知：升温速率增大，推迟了a y 转变温度，升温速率越大转变 温度越高。以2 0 0 。c r a i n 快速升温时，a y 转变温度在8 0 0 左右，y 一6 转 变温度在1 2 7 0 附近，温度高于平衡凝固时的相变温度；降温过程中，有少量 y 在高温铁素体晶界处呈针状析出，温度在9 8 0 左右，比热力学计算结果略 低；马氏体的析出温度低于4 5 0 ，低于热分析得到的马氏体点5 8 9 。根据温 度变化速率对相变温度点的影响规律，该结果和前期的计算结果相符合。热循 环最高温度为1 4 5 0 时，升温速率越大，高温组织中的y 残余越多，产生的马 氏体越多；热循环最高温度同在奥氏体区( 1 1 0 0 ) 时，升温速率越小，0 一 y 转变越充分，在1 1 0 0 的组织中y 的含量相对就越多，冷却得到的马氏体也 越多。 关键词：铁素体不锈钢，热稳定性，微合金化，组织相变，力学性能 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n b - t ib i - s t a b l ef e r r i t i es t a i n l e s ss t e e l ，c o n t e n t sl o wc r02 w t c r ) a n dn i ( q 0 w t n i ) i nt h i sn e wk i n do fs t e e l ，t h et w oe l e m e n t sn b ，t ir e a c tw i t hc ，na n d g e n e r a t e dc a r b o n i t r i d e ，w h i c hc a l l f i xc a r b o na n dp r o t e c tc h r o m i u m ，s o 鹤t o i m p r o v ei t sc o r r o s i o nr e s i s t a n c e n 比m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) a r ec r i t i c a lt ot h ea p p l i c a t i o n s s oi ti sn e c e s s a r yf o rs t u d ym i c r o s t r u c t u r a l e v o l u t i o nl a w so fh a zt oi m p r o v et c s sw e l d i n gp r o p e r t i e s i nv i e wo fh a zi s t o oh a ：t o wo n l y3 - 5 m m ，i ti sd i f f i c u l tt os t u d yh a z d i r e c t l y , b u tw e l d i n g i sak i n do f s p e c i a lh e a t i n gt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h eb a s em e t a le x p e r i e n c ear a p i dh e a t i n ga n d c o o l i n gp r o c e s s ，w h i c hc h a n g e si t so r g a n i z a t i o na n de f f e c t st h em e c h a n i c a lp r o p e r t y i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n , t r a d i t i o n a lh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ， t h e r m a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h eh e a ts t a b i l i t yo ft c ss t e e la n dt h eh e a t i n g t r e a t m e n te f f e c t so nt h ee v o l u t i o no ft h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t yw a ss t u d i e d ，w h i c h c 锄b ear e f e r e n c et of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh a z ni sf o u n dt h a ts t r u c t u r eo ft c ss t e e li sf e r r i t ea n das m a l la m o u n to fl o w 伽s o o nm a r t e n s i t ea tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h ea l l o y i n ge l e m e n t st i ，n ba r em a i n l y t r a n s f o r m e di n t ot w ok i n do fc o m p o u n d s o n el a r g e rt i 前c hn i t r i d ei st i ( n b ) ni n s i z eo f2 - 5l am t h eo t h e rs m a l l e rn b - r i c hc a r b i d ei sn b ( t i ) ci ns i z eo f2 0 - 5 0 n m a c c o r d i n g t o c a l c u l a t i n gr e s u l t so ft h e r m o c a l ca n dp a n d a ts o f t w a r e ， r e f e r r i n gt ot h e r m a la n a l y s i st e s tr e s u l t s ：t h ei n i t i a ls o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r eo f t c s s t a i n l e s si s1 5 0 0 。c ，t h eh i g h t e m p e r a t u r ef e r r i t es i n g l e - p h a s ez o n ei s1 4 9 0 c 一1 2 5 0 c ， t h et e m p e r a t u r eo fa u s t e n i t es i n g l e - p h a s ez o n ei s l l1 0 。c - 8 2 5 ，b e l o w7 2 5 。ci s f e r r i t e 1 1 1 eh e a t i n gt r e a t m e n te x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h et c ss t e e lh a sg o o dt h e r m a l s t a b i l i t yu n d e r9 0 0 * c ，i ft h eh e a t i n gt r e a t m e n tt e m p e r a t u r er i s et o1 0 0 0 ，s t r u c t u r e o ft c sa tr o o mt e m p e r a t u r ec o n t a i n sm o r em a r t e n s i t e ，i th a r d n e s s ，t e n s i l es t r e n g t h i n c r e a s e , t h et o u g h n e s sa n de l o n g a t i o nd e c r e a s e ；i ft h et e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n 12 0 0 ，i tw i l lg e n e r a t eh i g ht e m p e r a t u r ef e r r i t ew h i c hc a u s et h ed e c r e a s eo f t o u g h n e s sa n de l o n g a t i o n ；i ft h et e m p e r a t u r ei sa b o v e13 0 0 l o n gi n s u l a t i o n , t h e s t r u c t u r ei sh i g ht e m p e r a t u r ef e r r i t ew i t hc o a r s eg r a i n , w h i c hh a sal o wi m p a c t e n e r g ya n de n l o n g a t i o n 1 1 1 et h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t ss h o w ：w h e nt h ep e a kt e m p e r a t u r ei sb e l o w1 2 0 0 ( 2 ， t h et c sh a sab e t t e rt h e r m a ls t a b i l i t y , t h eg r a i ng r o w t ho ft h es p e c i m e ni sn o tv e r y s e r i o u s ，g r a i ns i z eg r o wu pt o5 0l amf r o m10 i im ；w h e nt h ep 铀kt e m p e r a t u r ei s 1 1 1 上海大学硕士学位论文 a b o v e12 0 0 c ，t h eg r a i na b n o r m a lg r o w , a v e r a g eg r a i ns i z ei saf e wh u n d r e dm i c r o n s ， w h i c hh a sal o wi m p a c te n e r g ya n de n l o n g a t i o n t h es i t uo b s e r v a t i o no fs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo ft c su n d e rd i f f e r e n tt h e f m a l c y c l es h o wt h a t ：mi n c r e a s eo fh e a t i n gr a t ed e l a yt h ea yt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ， t h eg r e a t e ro ft h eh e a t i n gr a t e ，t h eh i g h e rt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ；w h e nh e a t i n g r a p i d l y ( 2 0 0 。cp e a m i n u t e ) t l y t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea ta b o u t8 0 0 ( 2 ；y 一 6t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ei na b o u t12 7 0 ( 2w h i c hi sh i g h e rt h a np h a s et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r eo fb a l a n c es o l i d i f i c a t i o n ；i nc o o l i n gp r o c e s s ，t h e r ei sas m a l la m o u n to f yi nt h e6g r a i nb o u n d a r i e sw e r en e e d l e - l i k ep r e c i p i t a t e d ，a ta b o u t9 8 0 c ，t h e t e m p e r a t u r es l i g h t l yl o w c i t h a nt h et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nr e s u l t s ；a n d m a r t e n s i t ep r e c i p i t a t e sa tt e m p e r a t u r eb e l o w4 5 0 ，l o w e rt h a nt h et h e r m a la n a l y s i s m a r t e n s i t ep o i n t5 8 9 2 a c c o r d i n gt ot h el a wo ft e m p e r a t u r ec h a n g er a t eo nt h e p h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ep o i n t , t h er e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t hp r e c a l e u l a t e d r e s u l t s t h eh i g h e ro ft h ep e a kt e m p e r a t u r ei nt h et h e r m a lc y c l e , t h el o w e rc o n t e n to f t h em a r t e n s i t oa tr o o mt e m p e r a t u r e ，i ft h ep e a kt e m p e r a t u r ei s1 4 5 0 ，t h eg r e a t e ro f t h eh e a t i n gr a t e ，t h em o r er e s i d u a lyi tc o n t a i n s ；i ft h ep e a kt e m p e r a t u r ei sl10 0 c ， t h es m a l l e ro f t h eh e a l i n gr a t e , t h em o r eyi tc o n t a i na t11 0 0 k e y w o r d s ：f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，t t h e r m a ls t a b i l i t y , m i c r o - a l l o y i n g ，p h a s e , - c h a n g eo r g a n i z a t i o n , m e c h a n i c a lp r o p c r t i 岱 i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趁盟塑 日期之竺侔主目1 6 d 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：龇导师签名乒乏至兰竺二兰二非哗z 。3 上海大学硕士学位论文 1 1 不锈钢概述 第一章文献综述 当钢中含有了一定的铬元素，在表面形成坚固的氧化薄膜( 钝化膜) ，使金 属与外界介质隔离而不发生化学作用f 1 2 1 。不锈钢就是指在普通碳钢的基础上， 加入大于1 2 w t 铬合金元素的钢材，从而使其在大气、水、酸、碱和盐等溶液， 或其他腐蚀介质中具有一定的化学稳定性，甚至在高温或低温环境中，仍能保 持其耐腐蚀的特点【2 1 。 不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特征，兼有功能和结构材料两者特征的 绿色环保材料，具有不锈、耐热、耐蚀、易加工、可回收、低的寿命周期成本 等独特的优良性能，可广泛应用于石油、石化、航空航天、车辆、家电电子、 建筑、装饰等众多领域【3 巧】。不锈钢的发展可以追溯到1 8 世纪末。1 7 8 7 年，人 们发现了不锈钢的必要组成元素铬。之后有关金属组织及钝态的研究、低 碳铬铁制造技术及其他科学技术的共同发展，促使不锈钢于1 9 1 2 1 9 1 4 年在欧 美诞生。2 0 世纪4 0 年代以后，不锈钢在美国得到了惊人的发展，进而领导了 世界的不锈钢技术及工业【6 】。 1 1 1 不锈钢性能及其应用 不锈钢工业化生产自1 9 1 2 年由克虏伯公司开始至今虽然还不到1 0 0 年的历 史，但不锈钢已经显示出是一种产量增长最快的金属原料【7 】。近些年，其产量 增长率甚至超过了塑料。不锈钢产量有如此高的增长率，其驱动力在于它良好 的综合性能和广泛的应用领域 不锈钢具有优异的耐蚀性、成型性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列 特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中得到了广 泛应用，但在不同使用环境选择不同的不锈钢品种十分重要。不同品种不锈钢 的消费量在不同的国家差别很大，而且在不同国家不锈钢的消费领域也存在很 大的差异。例如西方发达国家就与印度有较大不同：在西方发达国家，白色家 上海大学硕士学位论文 电和器皿行业所用不锈钢占不锈钢总消费量的比例最高，达到3 7 ，其次是加 工工业为1 9 ，运输业为1 5 ，焊接钢管业为1 2 ，建筑业为1 1 ，其它行业 为6 t 射。而在印度，有高达7 5 的不锈钢用于白色家电和器皿，其次加工工业 为1 2 ，剩余行业的不锈钢消费量均不到1 0 。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，我国不锈钢的消费量增长很快，见图1 1 所示： 1 9 9 7 年的表观消费量超过了1 0 0 万t ，从2 0 0 1 年( 2 2 0 万t ) 到2 0 0 5 年( 5 2 2 万t ) 连续5 年成为世界上最大的不锈钢消费国家【9 】。据中国钢铁工业协会统计， 2 0 0 7 年上半年中国不锈钢产量达到3 5 0 万吨，比上年同期增长了5 4 ，不锈钢 进口9 5 6 5 万吨，比上年同期下降2 5 4 5 ，不锈钢出口8 3 3 8 万吨，比上年同 比增长2 2 4 4 4 ，不锈钢自给率已经达到7 0 。中国不锈钢已经由过去的以进 口为主转变为现在的以自给为主的格局，这是一个根本性的转折。2 0 0 6 年中国 人均不锈钢消费4 6 公斤，2 0 0 7 年上半年又有提高，已经接近世界人均消费水 平。 图1 - 1 中国不锈钢增长状2 9 t g j 不锈钢综合性能优越，在普通金属材料中消费增速最快。不锈钢由于耐腐、 耐热、可塑、高强、美观、长寿、环保等优良性能而被广泛使用。长期来看， 不锈钢平均消费增速是普碳钢平均消费增速的1 5 倍。并且明显高于其他普通 金属的消费增速。世界经济继续高速增长使得不锈钢的消费前景比较乐观。不 锈钢周期性更为明显，对经济景气度的弹性很大。亚洲和俄罗斯是全球经济最 活跃的地区，不锈钢消费增长潜力巨大。由于世界经济增长需要，不锈钢需求 将保持旺盛【们。 奥氏体不锈钢一般属于耐蚀钢，是应用最为广泛的一类钢，其中1 8 8 型不 锈钢( = 1 8 ，w m = 8 ) 是最有代表性的，它具有较好的力学性能，便于 进行机械加工、冲压和焊接。在氧化性环境中具有优良的耐蚀性能和良好的耐热 性能。但对溶液中含有氯离子( c 1 一) 的介质特别敏感，易于发生应力腐蚀。减 2 上海大学硕士学位论文 少镍和铬的含量，可得到常温下不稳定的奥氏体组织，若再经过冷加工则容易产 生马氏体组织，使这种钢变得强度高、硬度大且脆；反之，适当增加一些镍和铬 含量，就能获得稳定的奥氏体组织，同时可改善钢的冷加工性能。这类钢中添加 钛和铌时，能够提高其抗晶间腐蚀能力；添加钼、铜和钛，则能提高其在还原酸 中的耐蚀性能，同时也能提高其抗晶间腐蚀的能力【l 2 】 奥氏体不锈钢可以作为耐热不锈钢使用，这是由于奥氏体的再结晶温度高， 铁和其它元素的原子在其中的扩散系数小，故其强化稳定性比铁素体高。 铁素体不锈钢中不含镍或含很少量的镍，使其制造成本大为降低，但可以获 得与镍含量相对较高的奥氏体不锈钢大致相当的耐蚀性：而且铁素体不锈钢具有 优良的耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等耐局部腐蚀性能。鉴于我国镍 和不锈钢废钢资源缺乏，扩大铁素体不锈钢的比重成为我国今后不锈钢品种结构 调整的重点之一，因此关于铁素体不锈钢的研发成为企业界和学术领域的研究热 点 1 0 - 1 2 1 。 1 1 2 不锈钢分类 不锈钢种类很多，性能各异，分类方法也比较多。按照化学成分分为，铬不 锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等；按照性能特点分成耐酸不锈钢和耐热不锈 钢等；通常是按照金相组织进行分类，可分为奥氏体( a ) 型不锈钢、铁素体( f ) 型不锈钢、马氏体( m ) 型不锈钢、奥氏体一铁素体( a f ) 型双相不锈钢和 沉淀硬化( p h ) 型不锈钢五大类【2 卅。 1 ) 奥氏体不锈钢：在高铬不锈钢中添加适当的镍( 镍的质量分数为8 - 2 5 ) 而形成的，具有奥氏体组织的不锈钢。它不能利用热处理使晶粒细化，也不能经 过淬火来提高硬度。奥氏体不锈钢的冷加工硬度程度高，通常没有磁性，通过冷 加工可在钢内析出少量铁素体或马氏体组织，呈现少量磁性。 2 ) 铁素体型不锈钢：是铬含量在1 l 一3 0 ，具有体心立方晶体结构，使用 状态以铁素体组织为主的不锈钢。随着铬含量的提高，其耐酸性能也提高，可以 通过加入钼( m o ) 元素，来提高其耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀。铁素体型不锈钢 与常用的奥氏体型不锈钢相比，缺点是材质较脆，焊接工艺性较差。因为主要是 铁素体晶粒长大，脆性盯相的生成，或者是出现室温脆性。 3 上海大学硕士学位论文 3 ) 马氏体不锈钢：这类钢中铬的质量分数为i i 5 , - - 1 8 0 ，组织为马氏体。 增加碳含量，可提高钢的强度和硬度：可加入的少量镍促使生成马氏体，同时又 能提高其耐蚀性。马氏体不锈钢具有一定的耐腐蚀性和较好的热稳定性以及热强 性，可以作为温度低于7 0 0 以下长期工作的耐热钢使用。它广泛用于制造对韧 性和冲击韧度要求较高的零件，如汽轮机的叶片、内燃机排汽阀和医疗器械。 4 ) 双相不锈钢：其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少 相的含量也需要达到3 0 。它与相同碳含量的奥氏体型不锈钢相比，具有较小的 晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，且韧性比铁素体型不锈钢好。双相不锈钢的屈 服强度约为一般奥氏体不锈钢的两倍，而且其耐晶间腐蚀性也较好。属于日前新 型抗应力腐蚀的钢种，广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输 气管线、造纸机械等工业领域，近年来也被研究用于桥梁承重结构领域，具有很 好的发展前景。 5 ) 沉淀硬化型不锈钢：固溶或者退火状态下，具有奥氏体和部分铁素体组 织的钢，其中铁素体的体积分数为5 - 2 0 。经过一系列的热处理或机械变形处理 后，奥氏体转变为马氏体，然后可以再通过时效析出硬化达到所需要的高强度。 沉淀硬化型不锈钢有很好的成形性能和良好的焊接性，可作为超高强度的材料在 核工业、航空和航天工业中得到应用。 i i 3 铁素体不锈钢及其焊接性能 1 1 1 1 铁素体不锈钢及其分类 铁素体不锈钢中不含镍或含很少的镍，同时又可以获得与含镍量相对较高的 奥氏体不锈钢大致相同的耐蚀性，因而其制造成本大为降低；而且铁素体不锈钢 具有优良的耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等耐局部腐蚀性能 1 0 - 1 2 】。尽 管铁素体不锈钢有众多优点，但自二十世纪初问世以来，其用途非常有限，产量 也比较低，主要原因是铁素体不锈钢的室温、低温韧性差，缺口敏感性高，对晶 间腐蚀比较敏感，并且这些缺点随铁素体不锈钢截面尺寸的增加，铸造冷却速率 的放慢和焊接时的热影响而更加强烈地显示出来。铁素体组织对碳和氮的固溶能 力低，导致铁素体不锈钢中碳、氮等间隙元素易在晶界富集导致敏化【1 3 】，随铬含 量的增加，铁素体不锈钢的脆性倾向更加明显。 4 上海大学硕士学位论文 铁素体不锈钢可分为普通铁素体不锈钢和高纯度铁素体不锈钢【1 4 】。普通铁素 体不锈钢按照铬的含量又分为低c r 钢( w c r = 1 2 - 1 4 ) ，中c r 钢( w c 产1 6 0 0 ! - 1 8 ) 和高c r 钢( w c r = 2 5 0 , - 3 0 ) ；高纯度铁素体不锈钢中c + n 的含量限制很严，可有 以下三种：w c + n 0 0 3 5 0 , 4 ) 0 4 5 ，如o o c r l 8 m 0 2 等；w c + n 0 0 3 ，如 0 0 c r l 8 m 0 2 t i 等；w c + n 0 0 1 0 - 4 ) 0 1 5 ，如0 0 0 c r l 8 m 0 2 t i 、0 0 0 c r 2 5 m 0 1 、 0 0 0 c r 3 0 m 0 2 等。 1 1 1 2 铁素体不锈钢应用及发展 不锈钢作为一种优良的功能材料和结构材料，它在工业和建筑领域都能发 挥作用。随着科技的发展，不锈钢的应用领域日益广泛n 引。据海外媒体报道n 钔： 大陆不锈钢应用领域主要集中于汽车工业，欧美地区则进一步扩大应用于轿车、 大客车、火车、地铁用车、高速铁路用车等，显示车辆工业发展空间庞大，另 外水工业、建筑业、家电业、环保工业、工业设施等5 大不锈钢潜在市场，更 成为未来拓展焦点。 近年来出现的抗菌不锈钢是不锈钢家族中的新宠儿，所谓抗菌不锈钢，就 是在不锈钢中加入适量的具有抗菌效果的元素( 如铜、银) ，生产出的钢材经抗 茵性热处理后，具有稳定的加工性能和良好的抗菌性能【1 6 1 。这种优良的抗菌自 洁性预示着它的应用前景非常广阔。过去抗菌不锈钢只有日本能生产，2 0 0 2 年 浙江天宝不锈钢公司研制出具有中国特色的抗菌不锈钢，目前已形成批量生产 并投入市场【1 7 1 引。太钢研发生产的系列抗菌不锈钢【1 9 1 对大肠杆菌、金黄色葡萄 球菌、铜绿假单细胞菌及白念珠菌的抗菌率均大于9 9 ，各系列抗菌不锈钢与 同类不锈钢相比综合力学性能、腐蚀性能及加工性能相当。 另外铁素体不锈钢也是燃料电池连接体材料的应用方向，与n i 基合金和 c r 基合金相比，铁素体不锈钢具有独特的优势。铁素体不锈钢是c r 的铁基合 金，其化学性能稳定，在8 0 0 左右时与电解质的热膨胀系数相近，材料制备 费用更低，气密性良好，易于加工等。因此最近金属连接体的发展倾向于铁素 体不锈钢，用铁素体不锈钢作为连接体已经装备出几组电池堆 2 0 , 2 1 】。 据综合媒体报道【6 1 m 1 2 1 ，高耐蚀性不锈钢是世界不锈钢品种的质量发展方 向之一，最新的高耐蚀性不锈钢可分为两类：类称为超级不锈钢，例如y u s 2 7 0 和铁素体不锈钢s u s 4 4 7 j 1 ( 3 0 c r - 2 m o ) 。另一类便是高洁净度的铁素体不锈钢。 5 上海大学硕士学位论文 通过增加铬和钼的含量，降低碳和氮含量，可改善耐蚀性和成形性。 世界镍矿的品位非常低，而镍的精炼项目需要巨大的投资，尽管镍在不锈 钢中起到奥氏体化元素的作用。但是作为在两个系列不锈钢中起主要作用的合 金元素的价格却有巨大差异。因为，铬镍系不锈钢的价格紧随镍价的波动而发 生变化，而且世界金属镍储量有限，所以要合理利用镍，节约用镍，大力发展 铁素体不锈钢。 1 1 1 3 铁素体不锈钢焊接 焊接技术作为工程材料的一种永久性连接方法，自1 8 世纪末期发明熔化焊 和压焊以来，已经历了近百年的发展过程，直到如今它已成为工业生产中高质 量、高效率的一种不可缺少的工程材料加工工艺。随着钢的品种和质量的迅速 发展和提高，焊接技术也越来越专业。在不同工程领域，针对不同材料的焊接， 都形成了一套较为成熟的焊接、生产工艺规程【引。 ( 1 ) 焊接方法和材料选择【1 6 , 2 0 , 2 1 】 铁素体不锈钢的类型不同，其焊接方法的选择不尽相同。普通纯度铁素体钢 的焊接方法通常可采用焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极 氩弧焊或埋弧焊。无论采用何种焊接方法，都应以控制热输入为目的，以抑制焊 接接头的铁素体晶粒过分长大，工艺上可采取多层多道快速焊，强制冷却焊缝的 方法。超高纯度铁素体钢的焊接方法有氩弧焊、等离子弧焊和真空电子束焊，净 化熔池表面，防止沾污是关键因素。 在焊接铁素体不锈钢及其与异种钢焊接时填充金属主要有三类：同质铁素体 型、奥氏体型和镍基合金。采用同质焊接材料时，焊缝与母材金属有相同的颜色 和形貌，相同的线膨胀系数和大体相似的耐蚀性，但焊缝金属呈粗大的铁素体组 织，韧性较差。为了改善性能，应尽量限制杂质含量，提高纯度，并进行合理的 合金化。 铁素体不锈钢的室温韧性本就很低，且易形成高温脆化，在一定条件可能产 生裂纹。预热，能使焊接接头处于富有韧性的状态下焊接，有效地防止裂纹的产 生。预热温度要慎重选择，尽量减少焊接接头接近焊缝区的晶粒急剧长大粗化引 起脆化。由于高纯铁素体钢的碳和氮含量很低，具有良好的焊接性，高温脆化不 显著，焊前不需要预热，焊后也不需热处理。 6 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 可焊性分析 铁素体不锈钢在熔点以下加热过程以铁素体组织为主，不能通过热处理强 化。焊接时在热循环作用下有可能出现少量或者根本不出现马氏体组织，因此这 类钢焊接后不会出现强度显著下降或硬化的问题，铁素体晶粒容易粗大，明显降 低接头的韧性和塑性 2 2 , 2 3 】。因此，虽然铁素体不锈钢具有成本低、抗氧化性好， 而且抗应力腐蚀开裂性能强于奥氏体不锈钢。但是，焊接性能差的特点却大大限 制了其应用的广度 由于铁素体的线膨胀系数较奥氏体的小，其焊接热烈纹和冷裂纹的问题并不 突出。通常所说的铁素体型不锈钢不如奥氏体不锈钢的好焊，主要是指焊接接头 的晶间腐蚀和焊接接头的脆化问题。高纯铁素体钢比普通铁素体钢的焊接性要好 得多【2 4 1 。 普通铁素体铬钢发生腐蚀的间腐蚀倾向都与其合金元素的含量有关。随着钢 中碳和氮的总含量降低，晶间腐蚀倾向减小。合金元素钛和铌为稳定化元素，能 优先于铬而和碳、氮形成化合物，避免贫铬区的形成，降低晶间腐蚀。其高温脆 性的脆化程度也与碳和氮的含量有关，碳、氮含量越高，焊接热影响区脆化程度 就越严重，存在高温脆性的同时耐蚀性也显著下降。因此，与提高焊缝质量，需 降低碳、氮含量。4 7 5 ( 2 脆化可以通过焊后热处理消除，局部马氏体引起的脆性 可以采用退火处理来改善。 1 2 铁路货车车体用材料 世界铁路货车行业的发展目前主要分为两大流、派【2 5 】：一是重载技术，车辆轴 重大、载重量高、自重轻及列车编组辆数多是其主要特征，以美国、加拿大、澳 大利亚、南非、巴西为代表。如美国多数货车的轴重达3 0 t ，载重9 0 1 1 0 吨级， 运行速度为8 0 k m h 左右；二是快捷技术，主要特征是车辆运行速度高、列车编 组数量少，以法国和德国等欧洲国家为代表。其货车轴重一般为1 8 2 2 5 吨， 运行速度1 4 0 n 1 6 0 k m h 。近几年来，欧洲也开始研究试验轴重为2 5 t 的重载货车 和运行速度达2 0 0 k m h 的快捷货车。 近年来，随着我国国民经济的快速发展，全国铁路货运需求居高不下，尽管 铁路部门做出很多努力，仍不能完全满足货运需求，铁路运输紧张成为我国国民 7 上海大学硕士学位论文 经济发展的重要“瓶颈”环节【2 5 , 2 6 。这种状况在未来几年，随着经济增长将显得更 加突出。为此，国家希望铁路运输能在短期内实现跨越式发展，即尽快减少车身 自重、增加货物装载量，并能提高运行速度。在近期的规划中，铁道部明确要求 今后车辆运输实行“重载高速经济”的目标，即货车载重要达到8 0 吨，速度1 2 0 公里，j 、时，造价低于4 0 万元辆。为此，铁道部有关部门对先用铁路耐候钢货车 进行了2 0 多年来的首次正规的全面监测调查。调查结果表n t 2 7 0 2 9 ：腐蚀、磨损 造成的车体钢材的损耗相当严重，目前货车使用的耐候钢材料不能满足新型车辆 设计的载重7 0 吨级以上，寿命2 5 年的要求。因而，开发新型车体材料是目前工 作的重中之重【2 8 1 。 1 2 1 车体材料的现状 8 0 年代以前我国铁路货车车辆车体材料采用的是屈服强度为2 3 5 m p a 的普通 碳钢q 2 3 5 ，其耐腐蚀性差，使用寿命低，每年因腐蚀问题造成的经济损失十分 巨大，每5 年都要进行一次大修甚至报废【2 9 1 。早在3 0 年代，美国就开始采用耐 候钢( 主要指含铜钢，也称c o r t e n 钢) 。我国从1 9 6 0 年以后开始仿制耐候钢， 1 9 6 7 年首次试用于铁路车辆制造，1 9 7 8 年前后，铁道部与冶金部合作，试验将 铁路车辆车体结构用金属材料由普通碳钢转为耐大气腐蚀钢，1 9 8 6 年研制成功了 屈服强度为2 9 4 m p a 的0 9 c u p t i r e 耐候钢并开始用于车辆，1 9 9 0 年起新造车辆 全部采用【划。与普通碳钢相比，其强度和耐腐蚀性有一定的提高，使c 6 2 b 型敞 车开始投入了批量生产。2 0 0 1 年屈服强度为3 4 5 m p a 的0 9 c u p c r n i 耐候钢的研 制成功，耐大气腐蚀性增强，将铁路货车厂修期从5 年延长至8 年，使运行速度 达12 0 k m h 的c 6 4 k 型通用敞车投入批量生产。 在此基础上，2 0 0 6 年又进一步 研制成功了屈服强度为4 5 0 m p a 的q 4 5 0 n q r l 高强度耐候钢，其耐腐蚀性与 0 9 c u p c r n i 耐候钢基本相当，使载重为7 0 t 、运行速度达1 2 0 k m h 的c 7 0 型敞车 投入运行【2 5 ，3 1 0 4 】。 多年来铁路货车车辆的运行结果表明【3 l ，3 2 】，车体采用耐候钢后，其耐腐蚀性 能虽比普碳钢有了较大幅度提高，延长了车辆的使用寿命，但车体墙板、地板、 门板等部位腐蚀仍然很严重。据调查 3 i , 3 2 1 ，当车辆运行一个厂修期后，需进行挖 补、截换的车体约为1 3 ，车门更换率约为2 4 。当运行两个厂修期后，需进 8 上海大学硕士学位论文 行挖补、截换的车体比例达到8 8 ，车门更换率约为8 1 。车体材质耐腐蚀性 差，造成货车检修周期短、费用和运用成本高，综合经济效益差。目前7 0 t 级货 车所使用的q 4 5 0 n q r l 钢仅是提高了强度，耐腐蚀性没有提高。因此如何提高 车体材料的耐腐蚀性是当前铁路货车用材急待解决问题。 为解决货车车体腐蚀问题，国外早在八十年代就采用了0 0 3 c r l 2 型铁素体不 锈钢【2 9 ，3 5 ，3 6 1 。目前，牌号为3 c r l 2 的钢种在国外货车车辆等方面得到大量应用。 如：澳大利亚q u e e n s l a n d 运输公司生产的3 5 0 型运煤元宝车以3 c r l 2 钢板为主； 美国车皮超长达1 5 m ，可拉运1 3 0 吨煤炭的运煤车皮，所有重要部件均采用 3 c r l 2 ；南非用于运输煤的1 2 5 0 0 吨货车，比利时s n c b 特制的9 0 0 吨运煤货车， 澳大利亚s r a l 2 0 吨载重的新型运煤车等均大量使用3 c r l 2 钢。英国l i t t l t o n 煤 矿的试验表明3 c r l 2 钢板的耐冲刷性和耐磨性比碳钢好的多。据资料统计【3 7 1 ， 已有几十万吨3 c r l 2 材料应用于运输、交通、石化和采矿等不同的工业领域， 其中用3 c r l 2 制作的运煤车皮在全世界已有几万辆。3 c r l 2 钢具有中等的耐蚀 性、良好的强度、良好的可焊性( 焊接厚度可达3 0 m m ) 、具有磁性、具有耐湿 磨性和滑动性，能承受物料在其表面滑动，在低的倾角时，物料流过表面不沾不 挂。 提高耐蚀性进而延长寿命是车辆设计和钢材开发追求的目标之一【3 引。从腐 蚀的角度考虑，车辆制造应该采用耐腐蚀性更好的金属材料。铝合金质量轻， 耐蚀性较好，但强度较低，多应用于专用货车，对通用货车并不太适用。相对 来说铝合金的价格较高，使其推广受到一定限制。理论上讲不锈钢( 奥氏体不 锈钢) 耐蚀性能极佳，但价格太高，相比而言经济型不锈钢( 铁素体不锈钢) 是较好的选择材料。经济型不锈钢即铁素体不锈钢，依靠减少铬含量降低成本， 通常铬的含量只有1 0 - 1 2 。这种材料在强度和焊接工艺性能方面与耐候钢 相比有很大的不同，需要对现有的设计和工艺进行调整【3 3 , 3 9 , 4 0 l 。 1 2 2 微合金元素在钢中的作用 在铁素体钢中添加适当的微合金化元素，可形成稳定的碳氮化物，使铬有 效地保留在基体内，从而改善铁素体不锈钢的耐蚀性和焊接节点的抗晶间腐蚀 性，并提高铁素体不锈钢的成形性( 深冲性) 、高温强度、抗蠕变性能和抗高温 9 上海大学硕士学位论文 氧化和腐蚀性斛4 1 小】。钢的微合金化技术是冶金领域的高新技术，是目前改善钢 铁材料性能的重要方法之一 t l , 4 5 , 4 6 。 钢的微合金化是指在钢中添加微量的碳、氮化物形成元素，微合金化元素 在钢中含量通常低于0 1 w t ，通过元素的固溶和固态反应，影响钢的微结构、 组织和组分，从而使得金属获得优良的性锹4 1 1 。微合金化元素通过溶质原子的拖 拽作用和形成第二相粒子的弥散强化等作用影响钢的显微组织，从而改善材料的 性能 4 1 , 4 7 】。常用的微合金化元素主要有铌( n b ) 、钛( t i ) 、钒( v ) 等，这些元 素因为其熔点很高通常被称为“难熔金属 。它们具有高的熔点，而且又形成氮 化物和碳化物的趋势。而且形成氮化物的倾向要强于形成碳化物的倾向。 1 ) 铌( ) 是第五周期v b 族元素，具有体心立方结构，密度8 5 7 9 9 c m 3 ， 熔点2 4 6 8 ，沸点4 7 4 2 。c ，金属为钢灰色【4 。铌在不锈钢中的存在形式已发现 的有固溶状态、碳氮化物、金属间化合物以及含氮化合物【4 2 】。铌的原子半径为 0 1 4 7 r i m ，比f e 原子半径大1 5 ，易在位错线上偏聚，因此对位错攀移有强烈 的拖拽作用。对铁基合金而言，不论室温还是高温下铌都有强烈的固溶强化作用。 与m o 、w 、h f , t i 、p 、s i 、t a 等元素相比，n b 是提高铁素体不锈耐热钢高温 屈服强度的最有效元素如图1