（材料学专业论文）400系铁素体不锈钢热轧板材力学性能及焊接性能的研究.pdf

硕f 学伊论文 摘要 4 0 0 系列铁素体不锈钢是一种无镍、低镍型不锈钢，而且其成型性、耐蚀性、抗氧 化性良好，被称为“经济型”不锈钢，日益引起各国开发和研究的重视。本文针对4 0 0 系 列的代表钢种4 3 0 、4 1 0 s 、4 0 9 l ，结合其微观组织，重点研究了其热轧板材的力学性能 和焊接性能，并与奥氏体不锈钢3 0 4 对比分析，为进一步提高三种不锈钢的产品质量、 改良工艺参数、形成批量生产提供理论依据，为开发铁素体不锈钢提供实验数据并指导 生产。 首先研究了4 3 0 、4 1 0 s 和4 0 9 l 热轧板材在室温下的拉伸行为和断裂特征。4 3 0 和 4 1 0 s 的强度高，但塑性较差，4 0 9 l 的塑性好于4 3 0 和4 l o s 。c 、c r 含量较低的4 1 0 s 的强度、硬度均较4 3 0 高，是由于4 1 0 s 空冷轧制过程中产生了多量的马氏体；三种钢 室温下都为韧性断裂；4 3 0 和4 1 0 s 部分断口出现了分层和侧向开裂现象，经分析拉伸 断口出现分层开裂主要由沿着轧制方向分布的条带组织所致。 通过焊接接头组织观察、无损检测、力学性能以及接头铁素体含量和显微硬度测定， 研究了经手工钨极氩弧焊( t i g 焊) 4 0 0 系列铁素体不锈钢热轧板材的焊接性能，并与 奥氏体不锈钢3 0 4 作了对比分析。采用t i g 焊接方法和较小的焊接规范，所测各钢种的 焊接接头各项性能良好；4 0 0 系列铁素体不锈钢焊接接头拉伸断裂部位都为 过材( 包括 热影响区) ，这是由于其焊接接头的热影响区晶粒粗化严重及焊缝金属为奥氏体不锈钢 所致。4 3 0 的热影响区受焊接热循环作用发生了q y m 部分相变，而4 1 0 s 焊接接头 的热影响区发生了m y m 相变。4 0 9 l 的h a z 是全铁素体组织，没有明显的碳化物 等第二相析出，但是晶粒粗化严重，晶粒度为2 2 5 级。4 0 0 系列铁素体不锈钢的焊缝 组织相差不大，主要为细长的柱状晶奥氏体+ 沿柱状晶分布的6 铁素体，铁素体组织形 态以蠕虫状和骨架状为主。 通过测定4 3 0 焊接接头焊缝金属在h 2 s 0 4 、h c l 、混合酸( 1 0 h c l + 1 0 h n 0 3 ) 及 6 f e c l 3 溶液中阳极极化曲线，考察了焊缝金属在不同介质溶液中的电化学腐蚀行为及 性能。在h 2 s 0 4 溶液中，焊缝金属的阳极极化曲线钝化区间较宽，在约6 0 h 2 s 0 4 中的 抗电化学腐蚀能力最差；h c l 溶液的钝化区间短暂、活化区较长；混合酸的饨化区间较 宽，但没有明显的钝化平台；6 f e c l 3 溶液的阳极极化曲线m 现明显的点蚀特征。通过 分析母材和焊缝金属在不同介质溶液中的电化学特征值，可知焊缝金属的抗电化学腐蚀 性能好于母材。 i 4 0 0 系钱案件不锈例热轧板 t ，j 学十牛能，胃接r 能的研究 采用硫酸+ 硫酸铜法和双环动电位再活化法( d l e p r ) 评价了3 0 4 和4 0 0 系列不锈钢 焊接接头的晶间腐蚀倾向。两种方法都能很好地评价3 0 4 焊接接头的晶间腐蚀，且两者 吻合较好。由于4 1 0 s 母材的抗蚀性较差，采用硫酸+ 硫酸铜法无法评价其焊接接头的晶 问腐蚀倾向，而d l e p r 可以定量、快速测定其晶问腐蚀敏感性。e p r 法的评价表明： 4 1 0 s 的热影响区和母材有晶问腐蚀倾向，而4 3 0 和4 0 9 l 焊接接头无晶间腐蚀倾向。 关键词：铁素体不锈钢；室温拉伸试验；焊接接头；断裂特征；显微组织；电化学腐蚀 行为：晶间腐蚀 硕卜学伊论之 a b s t r a c t 4 0 0f e l l r i t i cs t a i n l e s ss t e e l i sak i n do fn o n 。n ia n dl o w j n is t a i l l l e s ss t e e l ，c o m p a c t i b i l i t y ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n do x i d a t i o nr e s i s t a n c ea r ev e 巧g o o d w k c hi sk n o w na sa ne c o n o m i c s t a i n l e s ss t e e l ，i ti sa l s os e ts t o r eb ye a c hc o u n n y b a s e do nt h a t4 3 0 ，410 sa n d4 0 9 l ，w h i c h a r er e p r e s e n t a t i v et y p eo f4 0 0f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，c o m b i n ew i t ht h e i rm i c r o s t r u c t u r e ， m e c h n i c a la n dm e l t e dp r o p e i r t i e sa r es e l e c t i v e l ys t u d i e d ，a n dc o m p a r i n gw i t t l3 0 4 t h a ti s f a v o r a b l et or a i s ep r o d u c tq u a l i 锣a n dr e f o r mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r ，a j l do 虢rt h e o 巧r e s t i t a l s oo f f e r se x p e r i m e n t a ld a t af o re x p l o i t i n gf e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，a 1 1 dg u i d ep r o d u c t i o n f i r s t t e n s i l eb e h a v i o ra n df r a c t i l r ec h a r a c t e r i s t i co f4 3 0 ，41o sa n d4 0 9 lf e 仃i t eh o tr o l l e d s t a j n l e s ss t e e lp l a t e sa tr o o mt e m p e r a t u r e 、v e r es t u d i e d 4 3 0a n d410 ss t a i n l e s ss t e e la r eh i 曲 s t r e n g t h ，b u tl o wp l a s t i c ；p l a s t i c i 妙o f4 0 9 li sb e t t e rt h a n4 3 0a n d 41o s s t r e n 舒ho f41o ss t e e l w h i c hi sl o w e rc a r b o na n dc ri sh i 曲e rt 1 1 a n4 3 0 ，b e c a u s eo fam a s so fm a n e n s i t ef b 肌a t i o ni n 410 ss t e e lw h e ni ti sa i r - c o o l e d t h ef r a c t u r ea tr o o mt e m p e r a t u r ei st o u g l l l l e s sf - r a c t u r e ；l a y e r f a c t u r ea n ds i d ec r a c ko f4 3 0a n d410 sa r ed i s c o v e r e da m o n gp a i r t i a lf r a c t u r e m e c h a n i c a l b e h a v i o ra n d 行a c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca b o v ew a sr e s u l t e db yr o l l i n g d i r e c t i o nl e n g t hb a n d e d s t m c t u r e t h ep r o p e r t i e so f4 0 0f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lt i gw e l d e dj o i n tw a ss t u d i e dt l l r o u g h n o n d e s t m c t i v ee x a m i n a t i o n ( n d e ) 、m e c h a n i c a lp r o p e r 哆a n dm e a s u r i n gf e r r i t ec o n t e n ta n d m i c r o h a r d n e s s ，a n dc o n t r a s tw i t ha u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l3 0 4 a d o p t i n gt i gw e l d i n ga n d l i t t l ew e l d i n gv a r i 百b l e s ，w e l d e dp r o p e n i e sw h i c ha r et e s t e da r eg o o d ；p o s i t i o no ft e n s i o n f h c t u r eo fw e l dj o i n to f4 0 0f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l si sb a s e m a t e r i a l ( h e a ta f f e c tz o n e ) ， b e c a u s ef e r r i t ec r y s t a lo fh a zo f4 0 0f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l sd og r o w su ps e v e r e l ya n dw e l d e d s e a mi sa u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l ，g r a i n b o u n d a r ya r e ao fh a zo f4 3 0o c c u r r e dm y m ， m a n e n s i t ep h a s en e a rh a zo f4l0 sc r e a t e dm y m m i c r o s t m c t u r eo fh a z o f4 0 9 li sa n f e r r o l “e s c a r b i d e sa r en o to b v i o u s l yp r e c i p i t a t e d ，b u tf e r r i t ec r y s t a lg r o w su ps e v e r e l y ，i t s g r a i ns i z e i s2 2 5 g r a d e m i c r o s t m c t u r eo f 、牝l d e db e a mo f4 0 0s t a i n l e s s s t e e la r e n o td i f f e r e n c e ，m i c r o s t r u c t u r eo fw e l dj o i n ti sc h a r a c t e r i z e ds l e n d e ra u s t h e n t i cg r a n u l a r c r y s t a l + 6f - e r r o l i t e sa l o n ga u s t h e n t i c ， t h es h a p eo ff e m t ea r em a i n l yw o r ma n ds k e l e t o n t h ea n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e si ns u l p h u r i ca c i d ，h y d r o c h l o r i ca c i d ，m i x t u r a la c i d ( 10 i i i 4 r ) r ) 系铁襄休不锈钒热轧扳材力学r | 能7 乏焊接件：能的研究 h c l + 10 h n 0 3 ) a j l d6 f e c l 3 d i f r e r e n te l e c t r o l y t es o l u t i o n sw e r em e a s u r e db yt h e e x p e r i m e n t so fe l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n t h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o np r o p e r t i e sw a s a g g r a v a t e dw i t i lh 2 s 0 4c o n c e n t r a t i o nf l r s t ，m ew o r s t 、v a s6 0 ，p a s s i v “o nz o n ei sm o r e l e n g m p a s s i v a t i o nz o n eo fh c l i sv e 巧s h o r t ，a c t i v a t i o nz o n ei s1 0 n g p a s s i v a t i o nz o n eo f l i l i x _ a c i di sv e 巧l o n g ，b u tn or e m a r k a b l ep a s s i v a t i o nf l a t f o n n t h ea i l o d ep o l a r i z a t i o nc u e s o f6 f e c l 3r e p r e s e n tr e m a r k a b l ep i t t i n gc o r r o s i o n t h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o np r o p e n y o fw e l dm e t a li sb e t t e rt h a nt h eb a s em e t a lb ya n a l y z i n ge l e c t r o c h e m i c a le i g e n v a l u ei n d i 保：r e n ts o l u t i o n t h eh 2 s 0 4 一c u s 0 4m e t h o da n de l e c t r o c h e 面c a lp o t e n t i o k i n e t i cr e a c t i v a t i o n ( e p r ) i s a d o p t e df o re v a l u a t i n gt h et e n d e n c yt oi n t e r g r a n u l a ra t t a c k ( i g a ) i g a o f 、e l d e dj o i n to f3 0 4 i sw e l la s s e s s e db yb o t t lm e t h o d s ，a 1 1 db o ma r ev e 巧a l l a s t o m o t i c ；b e c a u s et h ee r o s i o n r e s i s t a n c eo ft h eb a s em a t e r i a lo f410 si sr l o tg o o d ，“st e n d e n c yt oi g ac a nn o tb ee v a l u a t e d b yt h eh 2 s 0 4 - c u s 0 4m e t h o d ，a n di n t e r g 啪u l a ra t t a c k ( i g a ) i sq u 肌t i t a t i v e l ya n df a s tt e s t e d b ye p r ，i ti sf i n d e dt h a tt h ew e l d e db e a m ，h e a t - a a e c t e dz o n e ( h a z ) a n db a s em a t e r i a l i s t e n d e n c yt oi g a ，a n d w e l d e dj o i n t so f4 3 0a n d4 0 9 lh a v en os u s c e p t i b i l i t yt oi n t e r g r a n u l a r a t t a c k k e yw o r d s ：f e r r i t es t a i n l e s ss t e e l ；t e n s i o nt e s ta tr o o mt e m p e r a t u r e ；w e l d e dj o i n t ；行a c t u r e c h a r a c t e r i s t i c ；m i c r o s t m c t u r e ；e l e c t r o c h e m i c a lc o l l r o s i o nb e h a v i o r ；i n t e r g r a n u l a ra t t a c k 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。 作者虢盏反 日期跏。7 年多月日 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： 导帅签名： 柏脚 日期p 年月j 日 日期：旰6 月7 日 硕f 二f t 论文 第一章绪论 1 1 选题背景 不锈钢自本世纪初问世，到现在已有9 0 多年的历史。不锈钢的发明是世界冶金史 上的重大成就，不锈钢的发展为现代工业的发展和科技进步奠定了重要的物质技术基 础。开发最早的不锈钢主要是铁素体和奥氏体不锈钢，但一直以来在相当长的一个时期 大量研究与开发主要集中在奥氏体不锈钢。后来由于石油、化工、能源及原子能、宇航、 海洋开发等尖端技术的迅速发展，对不锈钢提出了更高的综合性能要求，不仅要求有良 好的耐蚀性，还要求有高强度、耐高温高压、防辐射、耐低温等性能，使不锈钢的品种 类型得到进一步的开拓。特别是从7 0 年代以来，不锈钢的工业精炼技术普遍采用a o d ( 氩氧脱碳) 和v o d ( 真空氧脱碳) 法，为新型钢种的开发提供了工艺条件。广泛使 用的含钛( 铌) 稳定化奥氏体不锈钢被超低碳奥氏体不锈钢所取代，高性能的铁素体不 锈钢也得到很大的发展【l 】。不锈钢的使用范围十几年来向轻工和家庭生活方面迅速扩展。 过去的3 0 年问，全球不锈钢产量一直以年平均超过5 的增长率增长。最近几年， 亚洲地区不锈钢产量有惊人的增加。虽然不锈钢的丌发不到1 0 0 年，但不锈钢已经显示 出是一种产量增长最快的金属材料，而最近几年其产量增长率甚至超过了塑料产量的增 长率。在过去的1 0 年，中国不锈钢消费量已分别超过2 0 的平均增长速度。然而，我 国人均不锈钢消费量仅有4 1 蜒，仍然非常低，这表明我国不锈钢消费量仍有很大的增 长空间。最近一段时间，中国已经成为世界不锈钢市场发展的中心。中国不锈钢产能正 在持续增加，而2 0 1 0 年中国不锈钢粗钢产量预计将接近1 0 0 0 万吨1 2 j 。 从不锈钢的品种结构来看，最近几年，不锈钢受镍价的影响及工业发展的要求，奥 氏体不锈钢的产量有所下降，而铁素体不锈钢，铬锰系奥氏体不锈钢及双相不锈钢产量 有较大的增加，预计这一趋势还会继续。导致这个现象的原因主要是全球镍资源的短缺， 也是最近奥氏体不锈钢价格居高不下的主要原因。为此，不锈钢产业要健康发展和使不 锈钢具有竞争力，就应该大力发展无镍和低镍铁素体不锈钢、铬锰奥氏体不锈钢和双相 不锈钢。其中无镍、低镍的铁素体不锈钢有其独特的优点，用量逐年提高，尤其在汽车 领域，铁素体不锈钢使用的比例越来越大，研发铁素体不锈钢是今后的发展趋势。 目前，对我国来说，不锈钢发展中存在的几个较大的问题，包括镍铬资源缺乏，产 能盲目扩大及不锈钢市场结构不合理等。由于我国是一个镍、铬资源匮乏的国家，镍铬 资源供应是我国发展不锈钢生产的重要限制因素【3 “】。因此，应尽快采取措施，以缓解 i 4 0 0 系钹系休不锈f 1 1 热轧板m ，j 亨j 汁能硬焊接忡能的研究 镍、铬资源的紧缺。例如，( 1 ) 加大国内镍、铬矿资源的勘察开发力度；( 2 ) 积极参与 国外镍、铬资源开发；( 3 ) 开发利用低铬镍矿资源，以增加镍铬资源供应。( 4 ) 进行技 术攻关，开发节镍型不锈钢【5 1 ，如低镍奥氏体不锈钢国际通用标准为2 0 0 系列不锈钢； ( 5 ) 铁素体不锈钢一般不含镍，成本比奥氏体钢( 3 0 0 系) 低较多，而且一些性能如耐 局部腐蚀与耐应力腐蚀都优于奥氏体钢，应大力推广铁素体不锈钢的应用。 综合而言，不锈钢发展前景较好，特别是在我困潜力还很大。虽然目前不锈钢发展 受金融危机的影响很大，相信随着经济的好转会获得较快的发展，而对于大型钢铁企业 不锈钢板材的生产对于新产品开发和产品结构调整具有重要的意义。 1 2 铁素体不锈钢 1 2 1 铁素体不锈钢的概况 所谓铁素体不锈钢，指的是在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。它的含铬量 在1 1 一3 0 ，具有体心立方晶体结构。铁素体不锈钢有磁性，一般不含镍，有时还含 有少量的m o 、t i 、n b 等元素。铁素体不锈钢除具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，其耐 氯化物应力腐蚀和耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀性能优良，是此类钢的主要特点。与 奥氏体不锈钢相比，铁素体钢的强度高，冷加工硬化倾向较低；其导热性、热膨胀性能 好，导热系数为奥氏体不锈钢的1 3 0 一1 5 0 ，线膨胀系数仅为奥氏体不锈钢的6 0 一7 0 【6 7 1 。但是，铁素体不锈钢存在一些缺点和不足，突出地表现在它们的室温、低 温韧性差，缺口敏感性高，对晶间腐蚀比较敏感，易出现4 7 5 脆性，而且这些缺点随 铁素体不锈钢截面尺寸的增加，冷却速度的变慢和焊接的热循环，而更加强烈地反映出 来。虽然铁素体不锈钢开发较早，人们也早在半个世纪前己经了解到铁素体不锈钢中c ， n 等问隙元素的存在是使铁素体不锈钢产生上述缺点的关键因素，但并未获得解决，因 而限制了该类钢自身的发展和应用8 9 1 。1 9 7 0 年代以来，由于不锈钢炉外精炼技术a o d ， v o d 等的出现，己经生产出极低碳、氮、氧的高纯和超高纯铁素体不锈钢，从而使铁 素体不锈钢的上述缺点和不足得到了一定程度的克服，而且进一步发展了许多新的可焊 性能好，加工性优良的铁素体不锈钢。与此同时，铁素体不锈钢在耐苛刻介质腐蚀，耐 氯化物的点蚀和缝隙腐蚀等应用方面进入了一个新的阶段，成了一种耐蚀性能好、廉价 的不锈钢，其用途正在不断扩大，研究和开发工作也在向纵深发展，是一类很有前途的 钢种。 铁素体不锈钢分为五大类( 如图1 1 ) ，其中前三类为标准牌号，是迄今为止用量最 2 硕i j 学位论文 大且应用范围最广的不锈钢，此外，后两类为特殊牌号，使用于某些有特殊要求的领域 【1 0 】 o 第一类 第二类 第t 类 第四类第五类 图1 1 铁素体不锈钢的分类 f i g1 1t h ec a t e g o 叫o f f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l 第一类，由于含铬量最低，因此价格也最便宜，适合在没有腐蚀或轻微腐蚀及允许 有局部轻微生锈的环境下使用。其中，4 0 9 型不锈钢主要使用在汽车排气系统中。而4 1 0 型不锈钢常用于容器、公共汽车和长途大轿车，也有用作液晶显示器的外框。 第二类，即通常使用最广的4 3 0 不锈钢，含较高的铬，具有较好的耐蚀性，通常在 室内使用，典型的用途包括洗衣机滚筒，室内面板等，其多数性能与3 0 4 类似，在某些 领域可替代3 0 4 不锈钢如厨房设施，洗碗机，壶和锅等。这类型具有足够的耐蚀性。 第三类，这类型较4 3 0 型具有良好的焊接性和成形性。在多数情况下，其性能甚至 优于3 0 4 。典型用途包括水槽，热交换管( 制糖业，能源等) ，汽车排气系统( 比4 0 9 寿命长) 和洗衣机的焊接部位。这类型甚至可替代3 0 4 用于性能要求更高的场合。 本课题重点考察了前两类铁素体不锈钢的代表钢种4 1 0 s 、4 0 9 l 和4 3 0 的力学性能 和焊接性能，并与奥氏体不锈钢3 0 4 对比分析。 1 2 2 铁素体不锈钢研究、开发进展 近年来日本、韩国、美国等发达国家，铁素体不锈钢的研发力度不断加强，性能大 幅提升，在很多使用领域都已经能够替代奥氏体不锈钢，发展前景十分广阔。 目前对铁素体不锈钢板材的研究主要有以下三个方面( 1 ) 微观结构与组别1 0 乞1 】；( 2 ) 力学性能及成形性2 2 。2 7 】；( 3 ) 焊接性及耐腐蚀性能【2 8 m 】。相对于奥氏体不锈钢各方面较 为深入的研究，对铁素体不锈钢的研究特别是对热轧板材的组织及焊接性能研究较少。 在国内，目前国家铁道部币力推使用铁素体不锈钢制造铁路货车，一年需求量近1 8 万吨。同时，在汽车、家电、五金、医疗设备等诸多领域，铁素体不锈钢的应用实践良 好，前景广阔。但是，与国外发达国家桐比，我围铁素体不锈钢生产消费水平都不容乐 观，目前，国内最大的两家不锈钢生产企业太钢和宝钢，铁素体不锈俐产量占不锈钢总 产量的比例都不到30 ，离国外先进不锈钢企业还有很大差距。而在国内不锈钢消费 3 4 0 f 1 系钦装体不焉 1 1 热乳椒卞才力学忭能，支婀接怍能的硎咒 市场上，铁素体不锈钢的消费量也只占到1 0 左右，与发达国家的4 0 的比例差距明显。 做好推广铁素体不锈钢的使用和开发对于我国不锈钢进步发展具有重要的意义，要从 生产工艺和市场开拓两方面入手，首先要把好生产关，在保证质量的前提下，生产出廉 价的4 0 0 系列产品：同时加强宣传引导，让广大消费者增强对这些钢种的认识，做到物 尽其用【4 3 】。 最近几年国内一些大型钢厂纷纷上马不锈钢项目，我国已成为不锈钢生产大国，对 铁素体不锈钢的研发和质量日益引起重视，铁素体不锈钢在中国必将获得长足的发展。 从消费领域分析：我国是一个家电生产大国，而铁素体钢是家电工业的使用大户( 4 3 0 牌号) ，如洗衣机的滚筒只能使用铁素体不锈钢；随着国内汽车工业的发展，汽车排汽 系统也是使用铁素体钢的重要领域( 4 0 9 牌号) ：在房屋建筑等方面，室内外的装饰，特 别是屋面用铁素体钢更有优势；在石化和环保等工业领域，需要更好的抗腐蚀性能，所 以超纯铁素体不锈钢将成为这个领域的选择。展望未来，含镍量较低、成本较低、物美 价廉的铁素体不锈钢对中低端消费者是有吸引力的，在这一背景下铁素体不锈钢在我国 的应用前景将是广阔的、值得期待的。 1 2 3 铁素体不锈钢的性能特点及价格优势 1 2 3 1 性能优势 从性能来看，铁素体不锈钢的强度高，而冷加工硬化倾向较低；抗氧化性好，抗应 力腐蚀优良；导热系数大，为奥氏体不锈钢的1 3 0 一1 5 0 ，线膨胀系数小，为奥氏体 不锈钢的6 0 一7 0 。铁素体不锈钢屈服强度高于奥氏体，而延伸率和成形性等同于碳 钢。它们也较易回收利用，有利于节省地球资源。 铁素体系列不锈钢一直广泛应用于两大领域：汽车排气系统和洗衣机滚筒。首先， 汽车排气系统长期在高温和腐蚀环境下使用，选用铁素体不锈钢可大幅度延长汽车排气 系统部件的寿命周期。其二，洗衣机滚筒在有洗洁剂和长期潮湿的环境下使用，在这种 环境下，绝对不允许局部腐蚀现象存在。而不锈钢所含的铬才是不锈钢获得耐蚀性的原 因，含有1 0 5 以上铬的不锈钢能形成可靠的自修复氧化铬层，使不锈钢具有耐蚀性， 并且提高抗氧化性、耐磨性以及抗拉强度。通常，大多数铁素体不锈钢的耐蚀性与奥氏 体相当，而添加了钼的铁素体不锈钢则比3 0 4 具有更优异的耐局部腐蚀性能。 铁素体不锈钢和碳钢的成形性相同，因此选择适当的钢种，铁素体不锈钢能加工成 各种碳钢所能塑造的各种形状。而且就成形性来说，铁素体不锈钢具有良好的冲压性能， 因此能符合复杂的三维设计需要，并且在进行复杂变形后，并不影n 向其优良的耐蚀性， 4 硕f j 学1 节沦文 耐热性和装饰性。尽管从总体成形性来讲，奥氏体不锈钢要好于铁素体不锈钢，但铁素 体不锈钢的成本优势能够增加收益。而且铁素体不锈钢，特别宜于冲压。在某种特定的 情况下，比如考虑到深冲或回弹效应，铁素体不锈钢要优于奥氏体不锈钢。 许多连接不锈钢的方法都能够很好的应用于铁素体不锈钢，特别是焊接。通常，焊 接连接是金属最经济且效率最高的方法，而一般来说，铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢相 比，焊后产生晶间腐蚀的倾向要小，特别是添加了钛和铌等稳定元素的铁素体不锈钢。 其次是粘接，目前国际上汽车和客车的制造商经常建造一个由不锈钢异型型材制造的车 身框架，通常是采用铁素体不锈钢41 0 1 4 钔。 此外，铁素体不锈钢的高温抗氧化性好，表面氧化剥落倾向小于奥氏体不锈钢，含 铌的铁素体不锈钢具有良好的蠕变抗力，比奥氏体不锈钢更适用于高温循环氧化环境， 且比奥氏体不锈钢更易于切削和加工。同时，铁素体不锈钢没有应力腐蚀断裂倾向。如 热水器使用的不锈钢要求很强的抗应力腐蚀能力，而奥氏体很难承受，但像日本开发了 4 4 4 牌号的铁素体不锈钢，用于各种热水器效果就很好。 1 2 3 2 价格优势 尽管铁素体不锈钢在某些性能上不如奥氏体，但其成本优势却很明显。从目前的价 格来看，尽管0 7 年下半年以来，镍价大幅下跌，但从下图3 0 4 与4 3 0 价格走势图( 图 1 2 ) 来看，镍系不锈钢仍处于相对高位，铁素体的价格低廉的优势仍保持。铁素体不锈 钢的经济优势获得了很多下游企业的青睐，如德国西门子公司约三分之一的产品使用了 不锈钢，其中铁素体不锈钢的比例己达到将近5 0 ，并计划逐年增加它的使用比例。 嚣 疑 w 耱 绞 囊 图1 23 0 4 与4 3 0 价格走势对比图 f i g1 2t h ec o n t r a s td i a g r a mo fp r i c et r e n d0 f3 0 4a n d4 3 0 其次，从图1 2 可以看出，2 0 0 8 年奥氏体不锈钢3 0 4 和铁素体不锈钢4 3 0 价格变化， 显然相对与奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢受镍价影响较小，价格波动较小；而奥氏体不 4 ( ) r ) 系锬彖休不锈锏热轧板材，j 学n 能，乏4 ：| f i 接竹能的研究 锈钢则受昂贵的镍原料影响较大，价格波动较大。众所周知，原料短期内的大幅波动， 容易给相关企业带来经营风险，导致企业利润下降甚至亏损，即使是受原料影响产品价 格上涨了，但也会受市场影响而下跌。对下游生产商来说，镍系不锈钢这一显著特点， 价格随原料，特别镍价而波动，对他们的生产经营来说，风险较大，容易导致亏损。铁 素体不锈钢原料价格相对低廉且波动不大，因此其价格也相对平稳，能够得到市场经验 丰富的企业的认可。 1 2 3 3 目前的不利因素 4 3 0 不锈钢是早期唯一获得认可的铁素体不锈钢。然而，早期的用户对这个钢种的 使用，特别是在焊接或腐蚀严重的条件下，由于没有足够的技术支持，导致在近几十年 形成了铁素体不锈钢性能较奥氏体不锈钢差的错误观念。铁素体不锈钢的缺点突出地表 现在，它们的室温、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 随铁素体不锈钢截面尺寸的增加、冷却速度的变慢和焊接的热影响而更加强烈地表现出 来。 其次，由于国内传统消费观念的影响，许多人认为含磁性的铁素体不锈钢耐腐蚀性 不如不含磁性的奥氏体不锈钢，导致生产、消费都不如奥氏体不锈钢那样快速发展。 尽管高质量的现代铁素体不锈钢已出现多年，但由于4 3 0 对市场造成的误解，导致 大众对高质量铁素体不锈钢也漠不关心。而事实上，铁素体不锈钢在很早就得到改进， 现代技术的全面支持和多样化来保证在性能上满足用户的需求。 虽然目前在中国铁素体不锈钢应用比例还不是很高，但近年来可以看到其增长速度 还是很明显的。尽管在推广应用上遇到很多困难，但其成本优势明显，且随着性能优异 的新品种的不断推出，铁素体不锈钢必将取得长足的发展。 1 2 4f e c r c 系三元相图 平衡相图可用于描述不锈钢的相变和相的稳定性。对于铬含量低的铁素体和马氏体 不锈钢，w ( c r ) = 1 3 的伪二元相图可以用来解释相的稳定和微观组织。在碳含量很低 时【w ( c ) 5 0 ) ，但其断后伸长率万较小， 分别为2 1 和2 3 ，均匀伸长率万。更小，分别为1 3 和1 4 。这是由于在拉伸过程的 缩颈阶段，与拉伸断口垂直的平面上，出现了侧向( 厚向) 开裂，以及随后分层的小片 各自的再缩颈，从而导致板材拉伸后期的厚向收缩严重，沙较大，而伸长率万和万g 却较小。4 0 9 l 塑性整体上好于4 3 0 和4 1 0 s ( 万= 2 9 ， = 7 6 ) 。 5 ) 材料的韧性是发生塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，可用真实应力一真实 应变曲线下塑性变形到断裂之间的面积来表示( 称静力韧性) 【7 】。4 3 0 、4 l o s 和4 0 9 l 的 静力韧性分别为0 8 6 1 0 9 j m 3 ，o 8 2 1 0 9 j m 3 ，o 8 3 1 0 9 j m 3 ，作为对比的3 0 4 奥氏体不 锈钢为4 4 8 1 0 9 j m 3 。可见本试验的3 种4 0 0 系列铁素体不锈钢的韧性和奥氏体不锈钢 相比有较大差距。从图3 应力一应变曲线可知，4 3 0 、4 1 0 s 和3 0 4 的强度值相差不很明 显，但3 0 4 不锈铡的应变值远大于4 3 0 、4 1 0 s 和4 0 9 l ，从而3 0 4 韧性较高。因此，改 善4 0 0 系列韧性的关键是提高其塑性。 6 ) 4 0 0 系列铁素体不锈钢和3 0 4 相比，无论强度还足塑性都有很人的差距，一方向 3 0 4 为奥氏体不锈钢，奥氏体为面心立方结构，塑性较好；另一方面3 0 4 微观组织为等 2 l 4 0 0 系铁索体不锈剐热“村山学性能及焊接性能的目f 究 轴奥氏体晶粒，比较细小( 测得其晶粒度为8 85 级) ，目3 0 4 属于业稳奥氏体不锈钢， 在拉伸变形叶1 生成了部分马氏体，加工硬化较大，有利于提高其强度佰和塑性值。 3 3 断口形貌及其特征 ( 1 ) 断口形貌的宏观特征 4 3 0 和4 1 0 s 扫描电镜低倍观察如图34 a 和罔34 b ，整个断口不规则，比较粗糙； 觑色灰暗，有叫娃的垂直十拉仲断口的分层丌裂现象，分层般发生在试样的中心区域， 与轧制的纵向甲面平行，周围还有大量的平行的小裂纹。但整个拉仲试样和断口部位产 生了明显的宏观塑性变形，且颈缩明显。 a l4 3 0b 14 1 0 s c l4 0 9 l 图344 3 0 、4 1 0 s 和4 0 9 l 拉伸断口s 酬宏观形貌 f 1 934s e mm a c r o _ 1 m a g e so f t e n “1 c a c n l cs u 柏c eo f 4 3 0 、4 1 0 sa n d 4 0 9 l 图34 c 为4 0 9 l 的扫描电镜低倍观察，圈中t 、f 部分为母材表面，中问为断裂区。 与4 3 0 和4 1 0 s 明显不同，没有发生分层开裂现象，颈缩更明显，断口较窄，既不呈锥 杯型，也不沿4 5 度方向切断，断口颜色灰暗，可见4 0 9 l 塑性和韧性较好。 ( 2 ) 断口形貌的微观特征 4 3 0 、4 1 0 s 和4 0 9 l 拉伸断口微观形貌如图3 5 。4 3 0 韧窝分布不均匀，大小不；局 # * z 部有平垲的台阶，断口l 韧窝集( 如陶35 a 和35 d ，c 处) 的尺度和沿轧向芏竹节状 分巾的铁素体晶粒的宽度大致相当。从坛删形貌和微观形貌町知，4 3 0 埔丁韧仕断裂， 断n 微删形貌t g 为沿轧向的韧寓集团+ 台阶+ 分层”裂。4 i o s 和4 3 0 相比，韧窝较大， 大韧窝剧刖分却着许多小韧窝，没有明显的台阶，但h 现了较明显的撕裂现象，也属于 韧性断裂，断叫形貌为大、小混杂的韧窝+ 撕裂棱+ 分层开裂。 a ) 4 3 0 c ) 4 0 9 l出4 3 0c 与圈35 a 视场角度不同) 图354 3 0 、4 1 0 s 和4 0 9 l 拉伸断口s e m 微观形貌 n g35s e m r 0 _ n 8 9 e s or l e n s l l e n a c i u r 血r 4 3 0 、4 1 0a l l d 4 0 9 l 图35 c 为4 0 9 l 的扫拙电镜微观特征。由图r 以看出，存在明显大小不同的两类韧 窝。党为尺、j 人而深的等轴韧窝，直径大约在1 0 2 0 微米之阃，其在范性流变的初 中期形成并睦火，多系由央杂物成核而形成，经历了较大量的塑性变形，韧窝得以充分 长大：另一类为细小的韧窝，其直径5pm 。判断其在范性流变的后期形成，多系由细 小碳化物等第二相形桉而成，其长大不充分、尺寸细小。由于4 0 9 l 的微观组织为等轴 铁索伴品柁，不存在条带组织，与4 3 0 、4 1 0 s 明显不同，不存在j 4 i o s 、j 4 3 0 断几所具 有的分层特征，因此，整个断口形貌表明4 0 9 l 塑性较好。可见这三种钢的断口特征 4 0 0 系铁索体不锈铜热轧扳材力学性能厦焊接性能的研究 ( 图35 ) 与其金相组织( 图31 ) 有着较好的对应关系。 从宏观和微观特征综合考虑，以上三种4 0 0 系列铁素体不锈钢热轧板的断裂方式为 韧性断裂。 3 44 l o s 和4 3 0 断口分层分析 1 ) 分层开裂的金相特征与分析 4 3 0 和4 1 0 s 拉伸断口分层开裂的盘相特征如图36 。在与拉仲断u 垂直的厚向平面 r ，可以看到非常明显的分层开裂，而且裂纹走向都是沿着其条带组织扩展的。 a 1 4 3 0b 、4 1 0 s 图364 3 0 和4 1 0 s 拉伸断口分层裂纹走向( 侧向) f l g36l a y 廿c m c kn 铷do f t e n s i l e h 们m ms u 雨c e o f 4 3 0 柚d 4 1 0 s ( s i d e d i r c c t i o n ) 4 3 0 和4 1 0 s 的基体中夹杂物很少，但在沿轧制方向拉跃、呈竹节状特征的铁素体 带的界面上，碳化物呈现较密集的条状分布，破坏了板材在厚度方向的连续性，此外， 4 1 0 s 条带卜存在马氏体，也是约束其基体塑性变形的因素。可以认为，拉伸初、中期， m 2 3 c 6 和条带状分_ 靠的马瓦体起到强化相的作用，有利于铁索体不锈钢强度的提高，但 到了中、后期，在铁索体带之间密集分布的m z ，c s 颗粒处，因塑性变形和碳化物，基体间 的协调应变会往m 2 ，c e 周围产生大量位错环，并使其界面分离形成微孔。由于微孔的形 成，使后面的位错环受到的排斥力大大降低：另一方面新产生的位错纠= 又源源不断地 被推向微孔，使微孔作快速不稳定的扩展和聚合，形成了微裂纹i 剐。进而形成宏观可见 的断u 上的侧向升裂分层现象。 2 ) 分层，l ：裂的力学分析 对塑性材料的拉伸试样加载，在产生缩颈以前，试样承受的应力状奄为单向轴向 拉应力。当山形变强化引起的承载能力升高抵偿不了因截面积减小引起的承载能力f 降 时，就会产生缩颈现象。在这个过程中，原先存在的显微裂纹( 或空洞) ，夹杂物或 第二相粒子基体的界面处在金祸的塑性流变过程中会萌生裂纹。 2 4 硕i 学位论文 f 一 一f 图3 7 板状试样拉伸缩颈处应力分布 f i g3 7s t r e s sd i s t b u t i o no fp l a t et e n s i l es a m p l ea tb o t t l e n e c k 与圆柱拉伸试样相类似，板状拉仲试样缩颈处受到轴向应力ol 、厚向应力o 。和宽向 应力ow 的三向应力作用( 如图3 7 ) 。缩颈发生以后，宽向和轴向应变变化不大，厚度 方向应变变化较大，o 。起到主要作用。4 3 0 和4 1 0 s 中存在的条带组织与轧制方向平行， 且条带中存在大量的m 2 3 c 6 细小颗粒，在塑性流变的中后期，通过加工硬化达到高应力 作用的阶段时，这些脆性的第二相粒子因与基体( 良好塑性的铁素体) 的应变不协调， 在不断积累的形变损伤中发生开裂，成为试样断裂的裂纹源，并沿着脆性第二相粒子密 集的条带( 饼形晶粒大面的晶界组织) 方向上聚合与长大