（材料加工工程专业论文）nb对oocr12ti铁素体不锈钢组织和性能的影响.pdf

e f f e c to f n bo nm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f0 0 c r l 2 t if e r r i t i c s t a i n l e s ss t e e l b y l i uz h a o b i n b e ( f u j i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di nm i c r o s t u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fs t a i n l e s ss t e e lf o rt h e d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n ga n de e n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i u h o n g i u n m a y , 2 0 1 1 r 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。 作者签名：毒1 稚彬 日期：仞j 年月 7e t 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：剖洮彬 剔磁名缯 日期：矽f f 年 月厂日 日期：印f 1 年6 月7 i ? j 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 插图索引v 第1 章绪论一1 1 1 研究背景1 1 1 1 汽车排气系统用不锈钢的要求1 1 1 20 0 c r l 2 t i 不锈钢的特点2 1 1 3 主要合金元素对0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢的影响3 1 2 国内外双稳定化铁素体不锈钢的研究现状4 1 3 不锈钢成分设计参考依据7 1 4 课题的研究意义9 1 5 研究内容9 第2 章实验方法和内容1 1 2 1 实验原材料1 1 2 2 试样制备1 1 2 2 1 合金成分1 1 2 2 2 实验设备12 2 2 3 制备工艺1 2 2 3 组织观察1 4 2 3 1 热处理制度一1 4 2 3 2 金相组织观察1 4 2 4 性能测试1 5 2 4 1 力学性能测试1 5 2 4 2 耐晶间腐蚀性能测试1 6 第3 章的加入对0 0 c r l2 ti 铁素体不锈钢铸态组织和力学性能的影响2 1 3 1n b 的加入对0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢铸态组织的影响2 1 3 2 析出相的分析2 2 3 2 1 析出相析出的热力学分析2 2 3 2 2 己d 分析。2 3 3 2 3e p m a 扫描分析2 4 3 2 4s e m 分析2 5 3 3n b 的加入对铸态不锈钢力学性能的影响2 8 4 1 退火热处理对不锈钢组织的影响3 0 4 1 1 退火温度对不锈钢组织的影响。3 0 4 1 2 保温时间对不锈钢组织的影响3 3 4 2 退火热处理对不锈钢力学性能的影响3 6 4 2 1 退火温度对不锈钢力学性能的影响3 6 4 2 2 保温时间对不锈钢力学性能的影响3 8 4 3n b 的加入对退火态不锈钢组织和力学性能的影响3 9 4 3 1n b 的加入对退火态不锈钢组织的影响3 9 4 3 2n b 的加入对退火态不锈钢力学性能的影响4 1 4 4 析出相的检测与分析4 l 4 4 1x r d 分析4 1 4 4 2e p m a 扫描分析4 3 4 4 3s e m 分析4 7 4 5 本章小结4 9 第5 章0 0 0 r 12 ti 铁素体不锈钢的耐晶问腐蚀性能测试与分析5 1 5 1 失重法检测结果及分析5 1 5 2 硫酸硫酸铜腐蚀结果及分析5 1 5 2 1 腐蚀结果对宏观组织的影响5 2 5 2 2 腐蚀结果对微观组织的影响。5 3 5 2 3 析出相的分析5 5 5 3e p r 测试结果及分析5 6 5 3 1 实验条件5 6 5 3 2 实验结果5 6 5 4 本章小结6 0 结论6 l 参考文献6 3 致 射6 7 附录( 攻读硕士学位期间发表的论文) 6 8 硕士学位论文 摘要 0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢作为汽车排气系统用不锈钢，其组织和性能的优劣直接 关系到排气系统的寿命。向不锈钢中加入n b 后，与c 、n 结合形成碳氮化物，起到 固定碳( 氮) 保铬的效果，改善了不锈钢的组织和力学性能，增强了不锈钢的耐晶间 腐蚀性能。本文基于前人对超低碳氮0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢的研究工作，在0 0 c r l 2 t i 不锈钢中添加不同含量的稳定化元素n b ，用真空电弧炉进行熔炼。采用金相显微镜、 扫描电镜、电子探针、x 射线衍射仪和万能拉伸试验机等试验设备研究了不锈钢铸 态、不同温度退火和保温时间不同时的组织演变和力学性能的变化，并对铸态和退 火态的不锈钢的耐晶间腐蚀性能进行了研究。得出以下结论： 1 0 0 c r l 2 t i 不锈钢中加入n b 后，随着n b 含量的增加，不锈钢的铸态组织晶粒 得到细化，并且基体中均有t i n 、c r 2 3 c 6 和( c r , f e ) 7 c 3 析出，同时基体中还析出( n b ，t i ) ( c ，n ) 和f e 2 n b 等第二相。稳定化元素n b 和t i 对铁素体不锈钢的力学性能影响很大， 对于不含n b 的试样，凝固组织中析出较多的t i n 且尺寸较大，该颗粒使得不锈钢 的硬度增大，而随着n b 含量的增加，不锈钢铸态组织的硬度和屈服强度均呈逐渐 减小的趋势。 2 对于退火态的不锈钢而言，当退火温度为9 2 0 ，保温时间为3 m i n 时再结晶 比较充分，随退火温度的升高和保温时间的延长晶粒均逐渐呈粗大化。随退火温度 的升高和保温时间的延长，不锈钢的硬度和屈服强度先是有较大幅度的降低，随着 温度的进一步升高和保温时间的进一步延长，对于含碳量为0 0 1 的不锈钢而言， 硬度和屈服强度值仍继续降低，而对于含碳量为0 0 2 的不锈钢而言，硬度和屈服 强度值趋于稳定。另外，含n b 量为0 3 的不锈钢的硬度和屈服强度均低于含n b 量为0 5 的不锈钢，这主要是由于含析出相的析出强化作用的影响。 3 随着n b 的加入，不锈钢衍射峰的位置整体右移。未加入n b 时基体中有c r 7 c 3 析出，而加入n b 后该析出相的析出得到了抑制，同时基体中还有含n b 的第二相 f e 3 n b 3 c 、f e 2 n b 和( n b ，t i ) ( c ，n ) 等析出。e p m a 分析表明，随着温度的升高，固溶 n b 的含量呈降低趋势，含n b 析出相逐渐增多，而固溶t i 的含量在9 5 0 以下变化 不大，当温度高于9 5 0 时逐渐升高，部分含t i 析出相逐渐溶解。s e m 分析表明基 体中析出形状较规则的t i n 颗粒，且其尺寸随着n b 的加入而减小；另外，分析表 明f e 2 n b 主要以连续或者非连续的短棒状形态析出，平均尺寸约为3 t t m ，而 ( n b ，t i ) ( c ，n ) 则主要以球状颗粒形态析出，平均尺寸在1 “m 左右。 4 对于不锈钢的铸态组织而言，不含n b 的试样的腐蚀速率和腐蚀深度均远远 大于含n b 的试样，通过金相观察和e p r 检测均发现三种成分不同的不锈钢发生了 严重的晶间腐蚀。而对于退火态的不锈钢，通过硫酸硫酸铜铜屑晶界腐蚀试验方 法和e p r 法测试得出，未添加n b 的试样敏化前后均发生了严重的晶间腐蚀，添加 n b 对0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢组织和性能的影响 n b 的试样则敏化后仍未发现腐蚀裂纹，说明n b 的加入有效改善了退火态不锈钢的 耐晶间腐蚀性能。从极化曲线可以看出，对于铸态试样，敏化态的再活化率较未敏 化态的试样明显偏高，而对于退火态的试样，当不添加n b 时，无论敏化或者未敏 化试样的再活化率均较高，而加入稳定化元素n b 后试样的再活化率则相对较低， 两种测试方法所得结果一致，说明向不锈钢中添加稳定化元素n b 后有效的提高了 不锈钢的耐晶间腐蚀性能。 关键词：o o c r l 2 t ；不锈钢；热处理；再结晶：力学性能；晶问腐蚀 硕士学位论文 曼曼曼曼曼量曼量皇量曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼皇量曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼皇詈量曼曼皇皇曼皇曼曼曼皇量鼍量曼曼曼罡量曼曼曼曼曼曼曼曼鼍鼍,i i 鼍 a b s t r a c t a st h ef e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e iu s e di na u t o m o b i l ee x h a u s ts y s t e m s 。t h em i c r o s t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so f 0 0 c r l2 t if e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e ld i r e c t l yr e l a t e dt ot h el i r eo fe x h a u s t s y s t e m i th a sb e e nf o u n dt h a tn ba d d i t i o ni nt h es t e e lr e m a r k a b l yi n c r e a s e st h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s d u r i n gt h ea g i n g ，n b ( c ，n ) ，f n b ，t i ) ca n d f e 2 n bw e r ep r e c i p i t a t e do u t ，w h i c hc a l la v o i dp r e c i p i t a t i o no fm 2 3 c 6c a r b i d e s ，i n c r e a s e d t h er e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo fi n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n i nt h i s t h e s i s ，b a s e do np r e v i o u s r e s e a r c ha b o u t0 0 c r l2 t iw i t hu l t r a l o wc a r b o na n dn i t r o g e n ，t h ef e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l a r ed e s i g n e db ya d d i n gd i f f e r e n tc o n t e n to fn b ，s m e l t e db yv a c u u ma r cf u r n a c e t h e c h a n g eo ft h em i c r o s t r u c t u r a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe a s ts t e e la n da g i n gs t a i n l e s s s t e e lw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ta g i n gt i m ea r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so f o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e m ，e p m a ，x - r a yd i f f r a c t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t ，t h e n t h er e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo fi n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o no fc a s ts t e e la n da g i n gs t e e la r e s t u d i e d f r o mt h o s ei n v e s t i g a t i o n st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w n ： 1 a f t e ra d d i n gn bi nt h ef e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，a si n c r e a s i n go ft h ec o u n t e n to f n b ， t h eg r a i no ft h ec a s ts t e e li sr e f i n e d ，t i n ，c r 2 3 c 6a n d ( c r , f e ) 7 c 3 p r e c i p i t a t e di nt h em a t r i x ， a n do t h e rp r e c i p i t a t i o ns u c ha sn b c ，f n b ，t i ) ca n df e 2 n ba r ep r e c i p i t a t e d a st h el a t t i c e p a r a m e t e ro ft i ci sa p p r o x i m a t ew i t hn b ca n dn b n ，u s u a l l yt h e yp r e c i p i t a t e dt o g e t h e r a ss t a b l i s h e de l e m e n t s ，n ba n dt ia r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i eo f f i e 仃i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，f o rt h es p e c i m e nn o ta d d e dn b ，m o r et i np r e c i p i t a t e di nt h e m a t r i x ，w h i c hi n c r e a s e dt h eh a r d n e s so ft h es t e e l ，i nt h eo r t h e rh a n d ，w h e na d d e dn bi n t h es t e e l ，w i t ht h ec o n t e n to fn b i n c r e a s e s ，t h eh a r d n e s sa n dy i e l ds t r e n g t ha r ed e c r e a s e d g r a d u a l l y 2 w h e na g i n ga t9 2 0 w i t h3m i n u t e s ，r e c r y s t a l l i z a t i o ni ss u f f i c i e n t a sr i s e do f t h et e m p e r a t u r ea n dp r o l o n go fa g i n gt i m e ，t h eg r a i ns i z eg r a d u a l l yi n c r e a s e da n dt h e h a r d n e s sa n dy i e l ds t r e n g t hd e c r e a s e d b e s i d e s ，t h eh a r d n e s sa n dy i e l ds t r e n g t ho f0 3 n bs t e e la r el i t t l e rt h a nt h es t e e lw i t h0 5 n ba d d e d ，t h i si s m a i n l yb e c a u s ee f f e c to f s t r e n g t h e n i n go ft h ep r e c i p i t a t i o nc o n t a i n i n gn b 3 w i t ha d d i n go fn bi nt h es t e e l ，t h ep o s i t i o no ft h ed i f f r a c t i o np e a km o v e dt ot h e r i g h tw h o l l y c r 7 c 3i sp r e c i p i t a t e di nt h es t e e lw h e nn on ba d d e d ，i nt h eo t h e rs i d e ，w h e n a d d i n gn bi nt h es t e e l ，t h ep r e c i p i t a t i o no fc r 7 c 3c a l lb er e s t r a i n e d ，m e a n w h i l e ，o t h e r p r e c i p i t a t i o ns u c ha sf e 3 n b 3 c ，f e 2 n ba n d ( n b ，t i ) ( c ，n ) a r ep r e c i p i t a t e d b ye p m aw e c a nk n o wt h a ta sr i s e do ft h et e m p e r a t u r e ，t h ec o n t e n to fs o l i ds o l u t i o no fn br e d u c e da n d n b 对0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢组织和性能的影响 - - - 一 l ；一 毫 t h ec o n t e n to fn bi nt h es e c o n dp h a s e p a r t i c l e si sr i s e d a n dt h ec o n t e n to fs o l i ds o l u t i o n o ft id o e sn o tr e d u c eb e l o w9 5 0 c ，a n ds o m ep a r t i c l e sc o n t a i nt is o l i d e dw h e nt h e t e m p e r a t u r ei sa b o v e9 5 0 b ys e mw ec a nk n o wt h a tt h es h a p eo ft i ni sr e g u l a s q u a r e n e s s ，a n dt h es i z ei sd e c r e a s e dw i t ht h ea d d i t i o no fn b 4 t h ec o r r o s i o nr a t ea n dc o r r o s i o nd e p t ho ft h es t e e ln o ta g i n ga r em o r es e r i o u s t h a nt h es t e e l s c o n t a i n i n gn b i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o na r es e r i o u sf o ra l lt h es t e e l s t h r o u g ho r g a n i z a t i o no b s e r v a t i o na n de p rd e t e c t i o n f o rt h es t e e l sa f t e ra g i n g ，w h e nn o n ba d d e d ，i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o no c c u r r e dw h e t h e rs e n s i t i z a t i o no rn o t i no r t h e rh a n d ， w h e nn ba d d e di nt h e s t e e l ，e v e ns e n s i t i z e ds p e c i m e na r en o th a v ei n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o n , t h i sm e a n sa d d e do fn bi nt h ef e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lc a ni n c r e a s et h e p r o p e r t i e so fi n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e f r o mt h er e s u l to fe p & f o rt h ea s c a s t s t e e l ，t h c 心o fu n s e n s i t i z e ds p e c i m e ni sl e s st h a nt h a to fs e n s i t i z e ds p e c i m e n f o rt h e s t e e l sa f t e ra g i n g ，w h e nn on ba d d e d ，w h e t h e rs e n s i t i z a t i o no rn o tt h e 心a r em o r et h a n t h es t e e lw i t hn ba d d e d t h er e s u l ti st h es a n l ew i t ht h a t b ym e a n so ft e s ti n c o p p e r - c o p p e rs u l f a t e 0 5 s u l f u r i ca c i d k e yw o r d s ：0 0 c r l 2 t is t a i n l e s ss t e e l ；h e a tt r e a t m e n t ；r e c r y s t a l l i z a t i o n ；m e c h a n i c a l p r o p e r t y ；i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n i v 硕士学位论文 插图索引 图1 1 汽车排气系统的装置构成1 图1 2t 4 0 9 、t 4 0 9 h p 和t 4 6 6 钢在静止空气中的循环氧化试验2 图1 3 热影响区抗晶间腐蚀的能力与稳定的关系5 图1 4n b ( t i 或n b + t i ) 含量对铁素体不锈钢焊缝热影响区晶间腐蚀的影响5 图1 5 不锈钢的s c h a e f f l e r 实用相图7 图1 6f e c r 平衡相图8 图1 7 不锈钢晶间腐蚀示意图8 图1 8 双稳定化铁素体不锈钢与单t i 稳定不锈钢的成本比较9 图2 1 实验用不锈钢的制备工艺流程图1 3 图2 2 实验用钢纽扣形铸锭“1 3 图2 3 试样切取位置示意图1 4 图2 4 实验钢的热处理工艺1 4 图2 5 压缩试样的尺寸1 6 图2 6 晶间腐蚀贫铬论的示意图1 6 图2 7 不锈钢的活化与再活化极化曲线2 0 图3 1 不同成分的实验钢铸态的金相组织2 l 图3 28 f e 在t i 2 0 3 + t i n 复合核心上生长的模型2 2 图3 3t i n 在铁素体不锈钢中析出的稳定性图2 3 图3 4i a 系列不锈钢随n b 含量的不同x i 分析结果2 4 图3 5 含n b 量不同的不锈钢铸态下的e p m a 面扫描分析2 5 图3 6i a a 和i a c 的铸态试样中析出相的扫描电镜照片2 6 图3 7i a - c 铸态试样中的析出相的s e m 照片2 7 图3 8 铸态试样的硬度值柱状图2 8 图3 9 不同n b 含量的铸态试样压缩载荷位移曲线2 9 图3 1 0 不同n b 含量的铸态试样的屈服强度值2 9 图4 1i a c 的不锈钢经不同温度退火后的金相组织3 1 图4 2i a 系列不锈钢的晶粒尺寸随温度的变化3 2 图4 3i b 系列不锈钢的晶粒尺寸随温度的变化3 3 图4 4i a c 的试样经不同保温时间退火后的金相组织3 4 图4 5i a 系列不锈钢的晶粒尺寸随温度的变化3 5 图4 6i b 系列不锈钢的晶粒尺寸随温度的变化3 5 图4 7i a 系列和i b 系列不锈钢经不同温度退火后的硬度变化曲线3 7 v n b 对0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢组织和性能的影响 曼曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量量量皇i i,一i i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇 图4 8i a 系列和i b 系列不锈钢经不同温度退火后的屈服强度变化曲线3 7 图4 9i a 系列和i b 系列不锈钢经不同时间退火后的硬度变化曲线3 8 图4 1 0i a 系列和i b 系列不锈钢经不同时间退火后的屈服强度变化曲线3 9 图4 1 1i a 系列的不锈钢不同n b 含量的金相组织4 0 图4 1 2i b 系列的不锈钢不同n b 含量的金相组织4 0 图4 1 3n b 含量对i a 系列不锈钢退火后力学性能的影响4 1 图4 1 4i a 系列的不锈钢经退火后的x 射线衍射谱4 2 图4 1 5i b 系列的不锈钢经退火后的x 射线衍射谱4 3 图4 1 6i a b 不锈钢8 6 0 退火后的e p m a 扫描照片4 3 图4 1 7i a b 不锈钢8 6 0 退火后的e p m a 线扫描分析图谱4 4 图4 1 8i a b 不锈钢9 5 0 退火后的e p m a 扫描照片4 5 图4 1 9i a b 不锈钢9 5 0 退火后的e p m a 线扫描分析图谱4 6 图4 2 0 不锈钢中各析出相的溶解温度4 6 图4 2 1 温度对不锈钢中固溶和碳氮化物的n b 、t i 含量的影响4 7 图4 2 2 添加n b 前后基体中t i n 析出相的扫描电镜照片4 8 图4 2 3i a 系列不锈钢中l a v e s 析出相的扫描电镜照片4 8 图4 2 4 不同n b 含量的i a 系列不锈钢退火后的析出相的s e m 照片一4 9 图5 1 各试样晶间腐蚀前后表面宏观形貌对比5 2 图5 2 晶间腐蚀试样弯曲1 8 0 0 后的宏观照片5 3 图5 3i a 系列的试样晶间腐蚀后的金相组织5 4 图5 4i b 系列的试样晶间腐蚀后的金相组织5 5 图5 5i a a 晶间腐蚀后晶界析出相s e m 照片5 5 图5 6i a - e 晶间腐蚀后析出相s e m 照片5 6 图5 7i a 系列的试样a 、b 和e 铸态下敏化和未敏化的极化曲线测试结果5 7 图5 8i a 系列试样退火后未敏化和敏化态的极化曲线测试结果。5 8 图5 9i b 系列试样退火后未敏化和敏化态的极化曲线测试结果5 9 v i 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 汽车排气系统用不锈钢的要求 近年来，随着汽车工业的迅猛发展，导致了排气系统用不锈钢的大量增加，而 0 0 c r l 2 t i 不锈钢作为汽车排气系统的一个专用钢种，约占整个排气系统用不锈钢比例的 6 5 。汽车排气系统用铁素体不锈钢的要求是： ( 1 ) 、良好的成形性能 汽车排气系统装置的构成如图1 1 所示n 1 ，它是由排气歧管、前管、挠性管、 转换器、中心管、消音器和尾喷管构成。从图中可以看出，排气系统主要是由 管材连接起来，并且连接部位的形状各不相同，需要对管材进行二次加工，所以要求排 气系统用钢具有良好的成形性能。 图1 1 汽车排气系统的装置构成 ( 2 ) 、耐高温氧化性和抗高温疲劳性 高温氧化和高温疲劳失效是指在高温下材料表面氧化并形成微裂纹，裂纹尖端继续 氧化甚至局部脱落，从而导致零部件的加速破坏。从图1 1 可以看出，排气歧管位于发动 机排出燃烧气体的部位，属于热端零件，重点要求高温性能，如高温氧化、腐蚀、疲劳 性能，其最高温度达到甚至超过9 0 0 ，是废气温度最高，对材料腐蚀最严重的部位， 所以要求排气系统用的不锈钢要有良好的耐高温氧化性能，而汽车又处于发动和停止的 反复运动状态，因此又应具有抗高温疲劳性能。图1 2 圆为单稳定化铁素体不锈钢( t 4 0 9 、 t 4 0 9 h p ) 和双稳定化铁素体不锈钢( t 4 6 6 ) 在静止空气中的循环氧化试验，由图可以看出， 低间隙双稳定化的t 4 6 6 不锈钢具有更加优良的抗高温疲劳性能。因此，对于汽车排气系 统用不锈钢而言，双稳定化的不锈钢比单稳定化的不锈钢具有更高的抗高温疲劳性能。 n b 对0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢组织和性能的影响 图1 2t 4 0 9 、t 4 0 9 h p 和t 4 6 6 钢在静止空气中的循环氧化试验 ( 3 ) 、耐蚀性 汽车发动一段时间内，尾气中的水分在消音器部位冷凝产生冷凝液，普遍含有n h 4 + 、 c 0 3 厶、s 0 3 2 。、s 0 4 2 和c r 等离子。c 0 3 2 、s 0 3 二、s 0 4 2 。和c l 等腐蚀性离子将对排气系统 冷端部件( 消音器和尾管) 产生均匀腐蚀和点蚀等，导致零部件失效，即为冷凝液腐蚀口1 。 汽车排气系统中心管以后的部件属于冷端零件，处于冷凝液的腐蚀环境中，主要要求具 有良好的耐尾气冷凝液腐蚀性能( 耐冷凝液腐蚀、耐盐腐蚀) 。晶间腐蚀也是汽车排气系 统零部件的重要失效方式之一，主要发生在管件及不同零部件结合等的焊接部位，低铬 的铁素体不锈钢由于其基体的铬含量较低，当冶炼时不锈钢的碳含量不能达到足够低的 水平，这些焊接部位在冷凝液作用下就会发生焊缝的晶间腐蚀，导致零部件失效。2 0 世 纪6 0 年代的研究表明“5 8 1 ，汽车排气系统用钢所产生的晶间腐蚀等缺陷是由间隙元素碳、 氮所致，故降低钢液中碳、氮含量可显著提高铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀等性能。 1 1 2o o c r l2 ti 不锈钢的特点 铁素体不锈钢是不锈钢四大类别( 奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和 双相不锈钢) 之一，是指铬含量介于l1 一- 3 0 之间，具有体心立方晶体结构，在使用状 态下以铁素体组织为主的不锈钢。铁素体不锈钢可根据不锈钢中铬含量的不同分为 l1 1 5 c r 、1 6 2 0 c r 和2 0 - - 3 0 c r - - - 类，其中0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢即属于第 一类不锈钢。铁素体不锈钢除具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀、 耐点蚀和缝隙腐蚀等是此类不锈钢耐蚀性方面的主要特点。与用量最大的c r - n i 奥氏体 不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或少含镍，因而是一种节镍不锈钢。 与其他碳钢或类似的不锈钢相比，0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢是铁素体型不锈钢的一个 重要品种，因为o o c r l 2 t i 不锈钢具有相当的优势，它重量轻，性能稳定，抗大气腐蚀性 强，耐热性能好，并且具有良好的成形性能和焊接性能，因此主要用于汽车排气系统的 零部件。 但是，0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢也存在着缺点和不足，突出表现在它的低温韧性差， 缺口敏感性高，对晶间腐蚀比较敏感，而且这些缺点随不锈钢截面尺寸的增加，冷却速 2 硕士学位论文 度的变慢和焊接热影响区的影响而更加强烈地反映出来。研究表明，引起上述缺陷的主 要原因是铁素体不锈钢中c 、n 等间隙元素的存在，虽然随着不锈钢炉外精炼技术的发 展，已经生产出低c 、n 和o 的高纯和超纯铁素体不锈钢，在一定程度上改善了上述的缺 点和不足，但是仍然无法完全消除c 、n 等间隙原子，由于c 、n 在铁素体不锈钢中的固 溶度非常小，碳化物和氮化物容易在晶界处析出而导致耐晶间腐蚀性能降低，因此，对 排气系统用0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢而言，不仅要降低钢中c 、n 含量，还要加入稳定化元 素n b 等来固定游离的c 、n 原予以确保钢的耐晶间腐蚀性能口1 。 根据文献 2 】记载，每辆汽车排气系统用铁素体不锈钢大约为2 3 k g ，据统计2 0 1 0 年全 国汽车销量已达至u 1 8 0 0 万辆，按照这个水平，仅2 0 1 0 年一年所需铁素体不锈钢为4 1 4 万 吨。而由于国内生产的汽车排气系统用铁素体不锈钢主要是单t i 稳定的不锈钢，其性能 尚不稳定，由于粗大的富t i 颗粒的析出，多数存在表面缺陷，因此大部分中高档轿车排 气系统用不锈钢仍需从国外进口。 基于以上研究背景，本文通过向0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢中添加n b 的方式来研究对 0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢组织和性能的影响，对汽车排气系统用铁素体不锈钢的生产具有 一定的参考意义。 1 1 3 主要合金元素对o o o r l 2 ti 铁素体不锈钢的影响 为了提高0 0 c r l 2 t i 铁素体不锈钢的综合性能，向不锈钢中加入不同种类的合金元 素是研究人员的必然选择，而对铁素体不锈钢的组织和性能影响最大的合金元素主要是 c r 、m o 、c 和n 以及n i 。近年来通过实践又发现t i 和n b 等元素对铁素体不锈钢的性 能具有重要的影响。 ( 1 ) c r c r 是使铁素体不锈钢具有铁素体组织并具有良好耐蚀性的主要元素。铁素体不锈 钢中，随c r 量的增加对钢的组织的主要影响是加速a7 相和。相的形成和沉淀并使钢的 铁素体晶粒更加粗大。这些因素反映在对铁素体不锈钢性能上，主要是脆化倾向的增加。 铁素体不锈钢在氧化性介质中，c r 能使不锈钢表面上迅速生成氧化铬( 例如c r 2 0 3 ) 的钝 化膜，这层膜是非常致密和稳定的，可以显著提高钢的耐腐蚀性能。另外，c r 对钢的 耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能也有重要影响，并且随钢中c r 量的提高，钢的晶间腐蚀敏感 性降低呻】。 ( 2 ) m o 铁素体不锈钢随m o 量的提高，钢更易获得纯铁素体组织；更加促进仅7 相、o 相， 特别是x 相的析出；通过固溶强化使铁素体不锈钢的硬度、强度提高，塑性降低；进一 步提高铁素体不锈钢的脆性转变温度和缺口敏感性，降低钢的韧性。m o 在铁素体不锈 钢中最重要的作用是提高钢的耐蚀性，特别是钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能等嗍。 ( 3 ) c 、n c 、n 在铁素体不锈钢中除了能使不锈钢强化外，对不锈钢的其他性能的影响几乎 n b 对0 0 c r l2 t i 铁素体不锈钢组织和性能的影响 都是有害的，例如脆性转变温度高，缺口敏感性大，焊后耐蚀性下降等都与钢中的c 、 n 有关，但目前又没有办法完全避免c 、n 在铁素体不锈钢中的存在。由于c 和n 都 是强烈形成并稳定奥氏体，扩大f e c r 合金中丫区的元素，因而，c 和n 对铁素体不锈 钢组织的重要影响是使嘶两相区向更高c r 含量