（材料加工工程专业论文）低镍奥氏体不锈钢的凝固模式及高温力学性能.pdf

硕士学位沦文 摘要 低镍奥氏体不锈钢利用m n 与n 代替镍，大大降低了其生产成本并节约了镍 资源。因此，广泛运用于能源、化工、石油、宇航、食品、轻工、生物工程 等众多领域。这种钢的成分与传统的c r - n i 系奥氏体不锈钢不同，其连铸坯在 粗轧过程中容易出现表面裂纹、边部裂纹、边部损伤等成形质量不好的问题。 铸坯壳层的热塑性直接影响着热变形过程中裂纹的产生，而变形局部化的较 早发生必然影响其表面质量。由于不锈钢的凝固模式决定其热塑性，本文首先研 究了连铸坯壳层的显微组织以及凝固模式。然后，在t h e r m o r c s t o r w 热力模拟 机上，对取自c r l 5 m n 9 c u 2 n i l n 不锈钢连铸坯壳层不同深度区域的小型试样进 行高温拉伸试验，研究了其热塑性与高温变形特性。变形温度为9 5 0 1 2 0 0 ， 温度间隔5 0 ，应变速率为o 1 2 s 1 。另外，通过设计熔炼试验调整了 c r l 5 m n 9 c u 2 n i l n 不锈钢中b 或n 含量，从而改变其显微组织与凝固模式，为 提高这种钢连铸坯的热塑性提供理论参考。 对c r l5 m n 9 c u 2 n i l n 连铸坯的显微组织进行分析，为了对比，同时分析了 c r l 7 m n 6 n i 4 c u 2 n 连铸坯的显微组织。结果表明：c r l 5 m n 9 c u 2 n i l n 不锈钢壳层 d 2 7 m m 区域的显微组织由残留6 铁素体、奥氏体基体与较亮的通道状奥氏体 组成；而距离表层表面2 7 m m 左右区域通道状奥氏体消失，这种钢的凝固模式为 f a 模式。c r l 7 m n 6 n i 4 c u 2 n 不锈钢的显微组织仅由残留6 铁素体与奥氏体基体 组成，其凝固模式为f a 模式。c r l 5 m n 9 c u 2 n 订n 不锈钢铸坯壳层冷却速度达到 2 s 时，出现了通道状奥氏体。随着冷却速度升高，通道状奥氏体不断增多。 随着冷却速度降低，连铸坯上6 铁素体的形态分别为骨架形，侧板条状和蠕虫 状。冷却速度变化，没有改变这两种钢的凝固模式。 研究c r l5 m n 9 c u 2 n i l n 奥氏体不锈钢铸坯壳层的热塑性，结果表明：变形 温度高于10 5 0 时，表层试样的断面收缩率较低，+ 由表及里逐渐增加，在距壳 层表面2 7 m m 左右处达到最高；变形温度低于1 0 5 0 时，壳层各深度区域断面 收缩率变化不大。结合铸坯各区域显微组织分析认为，由于高的冷却速度，枝晶 间的剩余液相冷却得到奥氏体。这种由液相中直接得到的奥氏体在壳层表层最 多，使得壳层表层的热塑性在高温时有所降低；由于铸坯芯部为粗大的等轴晶， 其热塑性低于壳层。 研究c r l5 m n 9 c u 2 n i l n 奥氏体不锈钢铸坯壳层的高温变形特性，结果表明： 试样在发生颈缩之前，要经历均匀变形和扩散颈缩变形两个过程，二者都使试样 变形区获得均匀的宏观变形形貌。均匀变形阶段的强化效应主要靠应变强化；扩 低镍奥氏体不锈钢的凝同模式及高温力学性能 散颈缩阶段应变速率强化起主导作用。随变形温度升高，尤其高于1 l0 0 时， 这种钢的应变速率强化效应增强，推迟了最终变形局部化的发生，从而获得较大 的延伸率。 熔炼实验结果表明：b 含量在5 9 14 0 p p m 范围内，试样的显微组织主要由 网状铁索体、奥氏体基体与较亮的通道状奥氏体组成，其凝固模式为f a 模式。 随着b 含量增加，铁素体数增多，而通道状奥氏体不断减少。n 含量在0 1 4 2 8 0 15 9 6 范围内，试样的显微组织主要由网状铁素体，奥氏体基体与通道状奥氏 体，其凝固模式为f a 模式。随着n 含量增加，通道状奥氏体增多，晶粒明显细 化。其铁素体数均比不调整n 含量试样的铁素体数减少一半。 关键词：奥氏体不锈钢；凝固模式；热塑性；高温变形特性；化学成分；冷却速 度； 硕十学位论文 a b s t r a c t u n t i l i z i n gm a n g a n e s ea n dn i t r o g e ns u b s t i t u t i n gn i c k e l ，t h ec o s to fl o wn i c k e l a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li sd e c r e a s e da n dn i c k e li ss a v e d t h es t e e li se x t e n s i v e l y u s e di nt h ef i e l do fe n e r g y , c h e m i c a l ，p e t r o l e u m ，a e r o s p a c e ，f o o d ，l i g h ti n d u s t r y , b i o e n g i n e e r i n ga n ds oo n b e c a u s et h ec o m p o s i t i o no ft h i ss t e e li sd i f f e r e n tf r o mt h e c o n v e n t i o n a lc r n i s e r i e sa u s t e n i t i cs t a i n l e s s , d u r i n gt h er o u g hr o l l i n gc o n t i n u o u s c a s t i n gs l a b si t s h o w e sb a dh o td u c t i l i t y , a n di s p r o n et oo c c u rs u r f a c ef o r m i n g p r o b l e m ss u c ha ss u r f a c ed e f e c t s ，d a m a g e ，e d g ec r a c ka n d s oo n h o td u c t i l i t yo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li ns l a bs h e l lh a sad i r e c te f f e c to nt h e o c c u r r e n c eo fc r a c k s d u r i n g h o td e f o r m a t i o n ，a n dt h eo c c u r r e n c eo fs t r a i n l o c a l i z a t i o nh a sa ni n f l u e n c eo nt h es u r f a c eq u a l i t y s o l i d i f i c a t i o nm o d ed e t e r m i n e s h o td u c t i l i t y , s oc a s t i n gm i c r o s t r u c t u r e sa n ds o l i d i f i c a t i o nm o d ei ns l a bs h e l lw e r e s t u d i e di nt h ef i r s ti n s t a n c e t h e n ，i nt h e r m o r e s t o r wt h e r m a l m e c h a n i c a ls i m u l a t o r ， e l e v a t e dt e m p e r a t u r et e n s i l et e s t sw e r ep e r f o r m e do nt h es p e c i m e n sf r o md i f f e r e n t d e p t hr e g i o n so fs l a b s h e l lt o i n v e s t i g a t eh o td u c t i l i t ya n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e d e f o r m a t i o np r o c e s s d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew a si nt h er a n g ef r o m9 5 0t o1 2 0 0 ， a n dt h es t r a i nr a t ew a s0 12 s i na d d i t i o n ，m e l t i n ge x p e r i m e n tw a sd e s ig n e db y a d j u s t i n g t h ec o n t e n to fbo rni nc r l5 m n 9 c u 2 n iln ，s oa st oc h a n gi t s m i c r o s t r u c t u r e sa n ds o l i d i f i c a t i o nm o d ea n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c et o e n h a n c e di t sh o td u c t i l i t y m i c r o s t r u c t u r e so fc r l5 m n 9 c u 2 n il ns l a bw e r ea n a l y z e d ，a l s om i c r o s t r u c t u r e s o fc rl7 m n 6 n i 4 c u 2 ns l a bw e r e a n a l y z e d f o rc o n t r a s t r e s u l t ss h o wt h a t ， m i c r o s t r u c t u r e s i nc r l 5 m n 9 c u 2 n i l ns t a i n l e s ss t e e ls l a bs h e l ld e p t hl e s st h a n2 7 m m w e r e c o m p o s e do ft h e r e s i d u a l6f e r r i t e ，a u s t e n i t em a t r i xa n dt h e l i g h t e r c h a n n e l s h a p e da u s t e n i t e h o w e v e r ，t h e r ei sn ol i g h t e rc h a n n e l - s h a p e da u s t e n i t ei n a r e aa tt h ed i s t a n c eo f2 7 m mf r o mt h es h e l ls u r f a c e t h es o l i d i 疗c a t i o nm o d eo ft h i s s t e e li sf a m i c r o s t r u c t u r e si nc r l7 m n 6 n i 4 c u 2 ns t a i n l e s ss t e e ls l a b sw e r eo n l y c o m p o s e do ft h er e s i d u a l6f c r r i t ea n da u s t e n i t em a t r i x a n dt h e i rs o l i d i f i c a t i o nm o d e w a sf a w h e nc o o l i n gr a t er e a c h e d2 。c s ，c h a n n e l - s h a p e da u s t e n i t eo c c u r r e d a s c o o l i n gr a t ei n c r e a s e d ，c h a n n e l s h a p e da u s t e n t ei n c r e a s e d w i t ht h ed e c r e a s i n go f c o o l i n gr a t e ，t h em o r p h o l o g i e so f6f e r r i t ew e r es k e l e t a l ，l a t h ya n dv e r m i c u l a t e r e s p e c t i v e l y h o w e v e r ，s o l i d i f i c a t i o nm o d eo ft h e s et w os t e e ld i dn o tc h a n g ea s c o o l i n g f a t ec h a n g e d 。 i i i 低镍奥氏体不锈钢的凝i 吲模式及高温力学性能 h o td u c t i l i t yo fc r l5 m n 9 c u 2 n i1 na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li ns l a bs h e l lw a s s t u d i e d r e s u i t ss h o w e dt h a tw h e nd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew a sh i g h e rt h a n10 5 0 c ， r e d u c t i o no fa r e a ( r a ) o fs p e c i m e n sc u tf r o ms h e l ls u r f a c ew a sl o w e r ，a n d i t i n c r e a s e dg r a d u a l l yf r o ms u r f a c et oi n s i d e ，t h e nr e a c h e dt ot h et o pa tt h ed is t a n c eo f 2 7 m mf r o mt h es h e l ls u r f a c e a c c o r d i n gt om i c r o s t r u c t u r e so ft h es l a b ，i tw a sf o u n d t h a tt h ec o o l i n gr a t eo fs h e l ls u r f a c ew a ss oh i g hd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nt h a ta u s t e n i t e w a sg o td i r e a c t l yf r o mt h er e t a i n e dl i q u i db e t w e e nd e n d r i t e s t h ea u s t e n i t eg o t d i r e a c t l yf r o mt h er e t a i n e dl i q u i dw a sm o s ti ns u r f a c el a y e r ，w h i c hd e c r e a s e di t sh o t d u c t i l i t y o w i n gt oc o a r s ee q u i a x e ds t r u c t u r e si nc o r e ，t h eh o td u c t i l i t yw a sl o w e r t h a nt h a ti ns h e l l e l e v a t e d t e m p e r a t u r e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc r l5 m n 9 c u 2 n i 1n a u s t e n i t i es t a i n l e s ss t e e lw a si n v e s t i g a t e d ，r e s u l t e ds h o wt h a t ：w i t ht h ei n c r e a s eo f d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r et h e i rs t r e n g t hw e r ed e c r e a s e da n dp e r c e n te l o n g a t i o nw a s i n c r e a s e d b e f o r et h eo c c u r r e n c eo fn e c k i n go r s t r a i nl o c a l i z a t i o n ，s p e c i m e n s e x p e r i e n c e dt w os t a g e si n c l u d i n gu n i f o r m d e f o r m a t i o na n dn e c k i n gd i f f u s i o n d e f o r m a t i o n b o t ho fw h i c hc a u s e dd e f o r m a t i o n z o n eo fs p e c i m e nt oo b t a i n m a c r o s c o p i cu n i f o r ma p p e a r a n c e i t i sw e l lk n o wt h a td u r i n gs t a g eo fu n i f o r m d e f o r m a t i o nt h ei n h i b i t i o no fs t r a i nl o c a l i z a t i o nw a sm a i n l yd e p e n d e do ns t r a i n h a r d e n i n g ；d u r i n gs t a g e o fn e c k i n gd i f f u s i o nd e f o r m a t i o ns t r a i nr a t eh a r d e n i n g p l a y e dav i t a lr o l ei no b t a i n i n gl a r g e rm a c r o s c o p i cu n i f o r m d e f o r m a t i o n r e s u l t so fm e l t i n ge x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tw h e nt h eb o r o nc o n t e n tv a r i e df r o m 5 9t o14 0 p p m ，m i c r o s t r u c t u r e so fs p e c i m e n sw e r em a i n l yc o m p o s e do ft h er e s i d u a l6 f e r r i t e ，a u s t e n i t e m a t r i xa n dt h e l i g h t e rc h a n n e l s h a p e d a u s t e n i t e ，a n dt h e s o l i d i f i c a t i o nm o d ew a sf a w i t ht h ei n c r e a s eo fb o r o nc o n t e n t ，t h ef e r r i t en u m b e r ( f n ) i n c r e a s e d ，b u tt h ec h a n n e l s h a p e da u s t e n i t er e d u c e d a sn i t r o g e nc o n t e n tv a r i e d f r o m0 14 2 8t o0 15 9 6 ，m i c r o s t r u c t u r e so fs p e c i m e n sw e r ea l s om a i n l yc o m p o s e do f t h er e s i d u a l6f e r r i t e ，a u s t e n i t em a t r i xa n dt h el i g h t e rc h a n n e l s h a p e da u s t e n i t e ，a n d t h es o l i d i f i c a t i o nm o d ew a sf a w i t ht h e i n c r e a s eo f n i t r o g e n c o n t e n t ， c h a n n e l s h a p e da u s t e n i t ei n c r e a s e d ，a n dt h eg r a i nr e f i n e d i nc o n t r a s tt os p e c i m e n m e l t e dw i t h o u ta d j u s t i n gn i t r o g e nc o n t e n t ，f no ft h o s es p e c i m e n sr e d u c e db yh a l f k e y w o r d ：a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；s o l i d i f i c a t i o nm o d e ；h o td u c t i l i t y ；e l e v a t e d t e m p e r a t u r e sd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；c o m p o s i t i o n ；c o o l i n gr a t e ； i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 一七 作者签名：马答日期：7 , o l o 年6 月fd 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：弓黎 导师签名： 生弓 勺乙 日期：口l q 年b 月f p 日 日期：2 o lo 年6 月fo 日 硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景与意义 近年来，不锈钢的消费迅猛增长，使得中国成为世界上备受关注的不锈钢第 一消费大国。不锈钢的消费量由19 9 0 年的2 6 万吨增长到2 0 0 6 年的5 3 0 万吨， 2 0 1 0 年可望达到8 0 0 万吨。不锈钢的需求拉动了不锈钢产业的快速发展。2 0 0 8 年年初的统计数据表明，2 0 0 7 年中国不锈钢总产量荣登世界第一，首次超过6 0 0 万吨。我国的镍资源比较贫乏，不锈钢的快速增长必然导致镍资源的严重紧缺。 由于镍原料的成本占不锈钢总成本的8 0 ，镍价波动直接影响不锈钢的价格。 2 0 0 5 年，镍价已经攀升到十五年来的最高点。因此，摆脱镍的影响，节省战略 资源，扩大企业利润已成为不锈钢发展的新方向。 奥氏体不锈钢是一种各方面均十分优良的材料，在多种腐蚀介质中具有 优秀的耐腐蚀性能、较高的韧塑性、优良的工艺性能，以及无磁性，因而在 能源、化工、石油、宇航、食品、轻工、生物工程等众多领域里获得了广泛 的应用。近年来，奥氏体不锈钢已发展成不锈钢中最重要的钢类，其生产量 和使用量约占不锈钢总产量及用量的7 0 心1 。因此，开发低镍奥氏体不锈钢 具有深刻的战略意义。 使用价格低廉的氮、锰来部分( 或完全) 取代镍，开发出的新型低镍( 或 无镍) 奥氏体不锈钢被称为铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢，这个系列被美国列 为a i s l 2 0 0 系列。氮为强烈形成并稳定奥氏体元素，且起很好的固溶强化作 用，在提高不锈钢强度、韧性的同时不影响其塑性；锰形成奥氏体能力虽弱， 但稳定奥氏体的能力较强。因此这个系列的不锈钢，适宜在承受较重负荷而耐蚀 性要求不太高的设备和部件上使用。 由于化学成分体系的差异，这类钢在连铸过程中的凝固行为以及热加工性 能，与常规的3 0 0 系列n i c r 奥氏体不锈钢有所不同。这类钢在热变形过程中， 容易出现边部裂纹、表面裂纹、边部损伤等成形质量不好的问题口3 ，如图1 1 所 示。 奥氏体不锈钢的热塑性一直是颇受关注的问题。在实际的热加工过程中，较 差的热塑性直接表现为热裂纹的产生，如轧制裂纹和焊接热裂纹。关于奥氏体不 锈钢的热塑性在焊接领域中具有相对系统的研究。普遍认为，奥氏体不锈钢的凝 固模式对热塑性有直接的影响。 由现有的研究成果可知，奥氏体不锈钢的凝固模式主要取绝于其化学成分， 低镍奥氏体不锈钢的凝同模式及高温力学性能 同时受到凝固条件的影响。虽然对于各类不锈钢热塑性的研究较多“圳。，但是关 于凝固模式对热塑性影响的研究涉及较少。在热变形过程中，变形局部化是材料 加工变形过程中产生缺陷的主要原困。而材料变形过程中的变形强化性质，直接 影响其变形局部化的发生”叫1 。通常，拉伸试验是表征材料颈缩前的变形行为最 基本、最有效的试验方法，可以对金属材料的高温变形特性进行评价。因此，通 过高温拉伸试验对材料的高温力学性能进行研究，控制热加工时材料的成形质量 非常必要。 图11 低镍奥氏体不锈锅热轧边裂、边损形虢 1 2 低镍奥氏体不锈钢的发展 自从二战以来，为了解决由于镍资源贫乏带来的成本太高的问题，各国逐渐 开发用m n 、n 代替镍的低镍或无镍铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢。锰形成奥氏体 的能力虽然较弱，仅为镍的二分之一，但锰稳定奥氏体的能力很强，而且还 能显著提高氮在钢中的溶解度，从而提高了氮向钢中的加入量。因此，为获 得奥氏体组织，以锰、氮相结合代镍是最佳匹配，既能获得奥氏体组织又能 节约镍，成为铬镍奥氏体不锈钢主夏合金化方向。 1 2 1 低镍奥氏体不锈钢的发展概况 德国在二战期间率先研制出以锰、氨代替部分镍的不锈钢。1 。2 0 世纪5 0 年 代，美国开发了含氮的高锰系列奥氏体不锈钢2 0 1 、2 0 2 两个牌号，并将其纳入 到a i s i 标准即2 0 0 系列不锈钢“。随后，各国也开始发展了适合本国需要 的铬锰系奥氏体不锈锅。1 9 5 6 年，中国开始进行了节镍的c r m n n i - n 系不锈钢 1 c r l 8 m n 8 n i 5 n 的研究。此后，中国于1 9 7 5 年纳入国家标准( g b l 2 2 0 ) ，牌号分 别为1 c r l 7 m n 6 n i s n ( 相当于a i s l 2 0 1 ) 和1 c r l 8 m n 8 n i 6 n ( 相当于a i s l 2 0 2 ) ； 日本于1 9 7 2 年纳入j 1 s 标准，牌号为s u s 2 0 i 和s u s 2 0 2 ：俄罗斯( 前苏联) 于 硕十学位论文 1 9 7 2 年纳入f o c t 标准的只有1 2 x 1 7 f 9 a h 4 ( 相当于a i s l 2 0 2 ) 一个牌号；英国 也是仅将相当于a i s l 2 0 2 牌号纳入了b s 标准，牌号为2 8 4 s 1 6 。印度国家标准中， 2 0 0 系列钢种只有一个，但印度j i n d a l 公司2 0 0 系列不锈钢有j 1 、j 3 和j 4 共三 个牌号。发展至今，各国都相继研制并开发出属于自己牌号的铬锰( 氮) 系奥氏 体不锈钢，典型的牌号及化学成分如表1 1 所示n 2 1 引。 目前，高氮不锈钢开发比较迅速。生产高氮钢的方法有：热均压熔炼 ( h i p ) ；向钢液吹痰气；常规熔炼及合金化方法，a o d ，v o d 电弧熔炼( e a m ) 等，高压冶金法增压等离子电弧熔炼( p a r p ) 以及增压电渣重熔。低压冶 金路线粉末冶金包括渗氮及逆向对铸造。随着冶炼技术的改进，奥氏体不锈钢 中n 的含量可达到1 0 以上。当前，高氮不锈钢的抗拉强度最高已能达到 3 6 0 0 m p a ，很快就会超过4 0 0 0 m p a ，并且保持有良好的韧性和较高的抗腐蚀性 能。因此，国内外大力开发高氮高强度的铬锰奥氏体不锈钢，并且取得了引人 注目的进展。 表1 1 各国铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢牌号及化学成分 1 2 2 低镍奥氏体不锈钢的研究现状 经连铸工艺生产出的连铸坯的显微组织决定其热加工时的性能，而显微组织 又由凝固模式决定。目前，对于凝固模式的研究主要集中在连铸工艺与焊接工艺 两个方面。文献n 4 1 5 1 对凝固模式与显微组织之间的关系具有统一认识。认为凝 固模式通过铬当量与镍当量的比值决定，而不同系列钢种的当量表达式各不相 同。凝固条件如冷却速度、枝晶生长速率对凝固模式也有直接地影响。文献n 6 1 7 1 认为激光焊、非熔化极气体保护焊下凝固条件对凝固模式的影响主要表现为枝 低镍奥氏体不锈钢的凝同模式及高温力学性能 晶稳态生长速率对凝固模式的影响，较高的生长速率使得凝固模式由先析奥氏体 转化为先析铁素体。 对于低镍奥氏体不锈钢常温下的拉伸性能的研究较多。文献 1 8 分析了 1 c r l7 m n 9 n i 4 n 奥氏体不锈钢经热处理工艺后的组织和室温力学性能之间的关 系，结果表明随着固溶处理温度由9 5 0 c 上升到1 0 7 5 ，其强度降低、塑性提高； 水冷或空冷对力学性能的影响不大；与同类钢相比，1 c r l 7 m n 9 n i 4 n 奥氏体不 锈钢具有优异的室温和低温力学性能。文献 1 9 m n 3 2 c r 7 m 0 1 n 0 3 钢在高应变 速率下进行拉伸试验，发现这种钢同时具有良好的强度与塑性，且其塑性并不随 着强度升高而降低。文献 2 0 发现不同氮含量的0 c r 2 1 n i 6 m n 9 n 不锈钢具有很 强的加工硬化特性，冷变形使强度和硬度得到大幅度提高，但塑性会有所降低。 对于低镍奥氏体不锈钢的热加工性能的研究国内外并不多见。文献 2 1 研究了热 加工过程中再结晶和晶粒长大的模型，以及变形量和变形温度与再结晶和晶粒长 大的关系。 高氮奥氏体不锈钢得到广泛运用，关于其力学性能研究较多。国内已成功开 发出完全无n i 的高氮医用不锈钢f e l 7 c r l 4 m n 2 m o ( 0 4 0 5 ) n 。文献 2 2 采用中 频感应炉熔炼，对电渣二次重溶工艺制备的5 c r l8 m n 0 3 5 c 0 2 n 无镍奥氏体不锈 钢进行了组织与性能测试，结果表明显微组织为单相奥氏体，并且这种钢具有优 异的强度和韧性。文献 2 3 对高氮( 含氮量为0 7 8 1 o o ) 铬锰钢热轧性能进行研 究，发现变形抗力随着轧制温度降低与氮含量升高而升高；边部裂纹的产生主要 受到杂质影响，n 含量影响很小。文献 3 对c r o m a n i t e 钢的热加工性能分析， 认为6 铁素体的含量太高容易导致热裂纹，并讨论了不同元素对热塑性的影响。 另外，针对低镍奥氏体不锈钢的抗高温氧化性、耐蚀性，国外学者也做出了 很多成果，如文献 2 4 2 5 分别采用等温氧化和循环氧化过程，对这种钢的抗高 温氧化性能进行了研究。文献 2 6 对c r m n n 系列的耐腐蚀性能进行研究。 迄今，关于低镍奥氏体不锈钢的研究，主要集中在显微组织与凝固模式、室 温力学性能、抗高温氧化性能以及腐蚀性能的研究，而对于这类钢在高温下的力 学性能的研究报道相对较少。 1 3 奥氏体不锈钢的凝固模式与显微组织 奥氏体不锈钢的凝固模式决定其显微组织，进而决定其热塑性。已有的研究 成果表明，不同的凝固模式对裂纹的敏感性不同。而凝固模式可通过微观组织形 态或者凝固模式的预测来确定。 1 3 1 凝固模式类型 s c h i n o 等人研究指出1 ，不锈钢的凝固模式有四种( 如图1 2 所示) ，分别是 4 硕七学位论文 l 叶6 + l _ 6 一丫+ 6 ( f 模式) ，l 一8 + l - - ) l + 8 + 7 _ 6 吖- - ) 7 ( f a 模式) ，l 一丫+ l _ l + 丫+ 6 一丫+ 6 _ 丫( a f 模式) ，l _ 丫+ l _ y ( a 模式) 。其中，l 、6 和7 分别表示液 相、铁素体和奥氏体。 图1 21 9 o r 时的f e - ni - o r 相图 凝固时如果先析出相为铁素体，凝固终了时得到的组织为全铁素体，这种凝 固模式为f 模式。凝固时如果先析出相为奥氏体，且冷却到室温仍为全奥氏体， 这种凝固模式为a 模式。其奥氏体的形态可为胞状晶或枝晶，铁素体形成元素铬 与钼偏析在胞状晶或枝晶边界。 另外两种模式是奥氏体不锈钢连铸坯中的两种主要的凝固模式，一是从液相 中先析出奥氏体，奥氏体晶界形成残留6 铁素体即a f 模式；二是先从液相中析 出6 铁素体，随后通过固态相变形成奥氏体组织，没有转变成奥氏体的残留6 铁素体存在于枝晶主干的中心即f a 模式。大量工程实践和实验研究已经证实， 如果奥氏体不锈钢以先析出6 铁素体的f a 模式凝固，可以获得较高的热塑性n 引。 通过观察焊逢金属金相显微组织，分析残留6 铁素体形态和所处的位置，可以判 断焊逢金属的凝固模式。 1 3 2 不同凝固模式下的显微组织 a f 模式下，由于凝固时有足够的铁素体生成元素( 主要是铬和钼) 偏聚在 晶界土促使生成铁素体。在a f 凝固中形成的铁素体量较少并被奥氏体包围。在 铁素体奥氏体转变过程中，铁素体量进一步减少。低冷却速度下形成网状枝晶， 高冷却速度下形成胞状奥氏体心”，如图1 3 所示。 f a 模式下，液相中先析出铁素体，通过固态相变形成奥氏体的凝固模式。 未发生固态相变的铁素体相冷却到室温为残留铁素体。由于合金冷却时大量的固 态铁素体转变使得该凝固模式下的铁素体形态比较复杂。f a 模式有四种典型的 低镍奥氏体不锈钒的凝吲模式及高温力学性能 显微组织：晶问奥氏体，蠕虫铁索体，板条铁素体和花边状铁素体其典型的组织 如图14 所示。 跟据固态相变的程度，残留铁素体的形态和含量差别很大。残留铁素体的形 态可分为：骨架形，侧扳条状和蠕虫状”。残留铁素体的形态主要受到冷却速 度的影响。骨架形或蠕虫状的铁索体形态在冷却速度和c r 。，n i 。值较低的情况下 形成。其机理为：奥氏体是靠消耗铁索体而不断生长。随着相变进行，在残留铁 索体中铬和钼等不断富集，而镍、碳和氮等奥氏体生成元素不断贫化，直到是铁 素体在一个扩散受到限制的较低温度下变得稳定时为止。快速冷却时，可能得到 板条状的铁素体形态。由于奥氏体相变受到限制，当扩散距离减少时，就以紧密 排列的板条形状进行相变。结果使得残留铁素体成为横切过原始枝状晶和胞状晶 生长方向的板条形状。 黼黑 鬣漤鬈耀 骥黼辫 燃辫戮蒺囊t t 燮爨涎蕊氆：薹；鹬；壶纂三爹菇 硕十学何论文 1 3 3 当量预测凝固模式 奥氏体不锈钢的凝固模式主要取决于其化学成分。由于其化学成分的复杂 性，通常使用c r 当量、n i 当量对各种成分作用进行简化。然后，根据s c h a e f f l e r 图或d e l o n g 乜们图对凝固模式进行预测。由于奥氏体不锈钢化学成分系统的差 异，不同的研究者已提出多种c r 当量、n i 当量计算公式。对于本文所研究的低 镍奥氏体不锈钢的成分体系，较为合理的是h a m m a r 和s v e n s s o n 们提出的c r 当量、n i 当量计算公式，见式1 1 、1 2 ： c r = c r + 1 3 7 m o + 1 5 s i + 2 n b + 3 t i ( 1 1 ) n i c q = n i + 2 2 c + 1 4 2 n + o 3 1 m n + c u ( 1 2 ) 其中，c r 。q 与n i 。q 分别表示c r 当量与n i 当量，各化学元素符号表示其百分比 含量。许多研究工作已验证，根据h a m m a r - - s v e n s s o n s 的c r 当量和n i 当量计 算公式，可以较为准确预测合金含量较低的奥氏体不锈钢的凝固模式，如图1 5 所示。 图1 5h a m m a r 和s v e n s s o n 预测奥氏体不锈钢的凝固模式 h u l l 研究了高m n 的奥氏体不锈钢的凝固模式，利用快冷铸造的的方法模拟 焊接过程，给出了奥氏体铁素体的边界c r 。q n i 。q = 1 3 9 5 。h u l l 的铬、镍当量计算 公式见式1 3 、1 4 。 c k 2 c r + 1 2 1 m o + 0 4 8 s i + 2 2 7 v + 0 7 2 w + 2 2 0 t i + o 1 4 n b + ( 1 3 ) 0 2 1 t a + 2 4 8 a l n i 。= n i + 0 1 1 m n 一0 0 0 8 6 m n 2 + 0 4 1 c o + 0 4 4 c u + 1 8 4 n + 2 4 5 c ( 1 4 ) 该当量关系式很全面，包含了大量可用于不锈钢的元素。其中镍当量中的含 有一个m n 元素的二次项( 0 11 m n 0 0 0 8 6 m n 2 ) ，这个式子指出锰随其含量增加 形成奥氏体的能力变弱。 e s p y 研究锰的质量分数高达15 的氮强化奥氏体不锈钢时发现：锰对焊缝 7 低镍奥氏体不锈钢的凝同模式及高温力学性能 微观组织中奥氏体形成几乎没有影响。e s p y 修改了s c h a e f f l e r 相组分图，能很好 地用于高n 高m n 不锈钢。w ( n ) = 0 0 0 2 时，为“3 0 ，当w ( n ) = 0 2 1 0 2 5 时，“2 2 ”。e s p y 的当量关系见式1 5 、1 6 式： c = c r + m o + 1 5 s i + o 5 n b + 5 v + 3 a 1 ( 1 5 ) n i 钓= n i + 3 0 c + 0 8 7 m n + 0 3 3 c u + k 。( n 一0 0 4 5 ) ( 1 6 ) 其中，k n 是一个可变常数，氮的质量分数为0 o 0 2 时取3 0 ，氮的质量分数为 0 2 1 0 2 5 时取2 2 ，而氮的质量分数为o 2 6 o 3 5 时取2 0 。这表明氮形成 奥氏体的作用随其含量上升而下降。 s u u t a l a $ l j 用e s p y s 的计算公式，分析了高n i 高m n 不锈钢的化学成分与凝固模 式之间的关系，发现奥氏体铁素体凝固模式向铁素体奥氏体的凝固模式转变的 边界为1 3 5 。各当量公式中n 系数变化很大，这是因为这些系数不仅由氮含量决 定，还由总成分和温度决定。 1 3 4 冷却速度对显微组织与凝固模式的影响 连铸坯在凝固过程中，距离连铸坯表面不同位置，冷却速度存在较大的差异。 连铸坯表面的冷却速度非常大，随着离开表面的距离增大冷却速度急剧下降，到 铸坯芯部冷却速度小于1o c s 。很多的研究已经表明，冷却速度对奥氏体不锈钢 的凝固模式有直接的影响阳。冷却速度较小时，可得到接近平衡态的枝晶组织， 而很大的冷却速度，得到远离平衡态的组织，如容易得到共晶奥氏体n 。而凝 固模式的改变所引起的组织变化必然会影响热加工时的热塑性。 随着冷却速度的增加，发生两种变化，枝晶模式由胞晶向共晶模式转变，二 是先析铁素体量减少，而先析奥氏体和共晶区域增多乜7 1 。 直接测定连铸坯上的冷却速度是很困难的，通过凝固组织的特性推测凝固时 的冷却速度，是一种可行且被认可的方法。已经发现，在奥氏体不锈钢凝固时冷 却速度的l n 值和枝晶间距l n 值成线形关系n4 1 6 3 剀。a b d u l g a d e r 3 1 对2 0 0 系列不锈钢 激光焊的凝固行为和微观结构特征进行研究。通过测量冷却速度和二次枝晶间 距，估算得出经验公式1 7 。 五= 4 7 水，埘4 1 ( 1 7 ) 其中，为冷却速度，a 2 为二次枝晶间距。 对31 0 不锈钢凝固时显微组织进行研究，得出冷却速度和一次、二次枝晶间 距的关系，分别为式1 8 、1 9 。 = 8 0 * r 川3 3 ( 1 8 ) 见= 2 5 牛r - - o 2 8 ( 1 9 ) l o s e r 对3 0 4 不锈钢研究得出关系式1 1 0 。 五= 6 8 * r - 9 4 5 ( 1 1 0 ) 冷却速度通过改变凝固模式来影响最终铁素体含量。奥氏体不锈钢快速凝 硕七学何论文 固时，凝固模式将改变，即由通常先析出铁素体模式变为先析出奥氏体模式。先 析铁素体在低冷却速度下产生，当冷却速度下降时