304不锈钢高温力学性能研究.docx

304 不锈钢高温力学性能研究董 方, 郄俊懋, 辛瑞峰(内蒙古科技大学 材料与冶金学院， 内蒙古 包头 014010)摘 要：采用 Gleeble-1500D 热模拟机，测试了 7001400 时 304 不锈钢的高温强度及塑性随温度的变化规律 ， 确定了该钢种的零强度温度(ZST)与零塑性温度(ZDT)。 结果表明：304 不锈钢的 ZST 为 1370 ，ZDT 为 1350 左右；高 温屈服强度及抗拉强度随温度的升高而降低，1250 之后屈服强度及抗拉强度都降低至 25 MPa 以下，强度变差；第一 脆性区的温度为 1250 到熔点，第三脆性区的温度为 9501050 ，在 10501200 内断面收缩率均在 65%以上，塑 性较好。关键词：304 不锈钢； 力学性能； 高温特性中图分类号：TG142.1+2文献标识码：A文章编号：1001-3814(2014)16-0096-03Study on High Temperature Mechanical Properties of 304 Stainless SteelDONG Fang, QIE Junmao, XIN Ruifeng(College of Metallurgy and Material Science and Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)Abstract：The type Gleeble-1500D thermal simulation testing machine was employed to test the change law of strength and ductility of 304 stainless steel during 700-1400 , and meanwhile, the temperature of ZST the ZDT was decided. The results show that the ZST is about 1370 and the ZDT is about 1350 . The yield strength and tensile strength decrease with temperature increasing and the strength becomes worse. The yield strength and tensile strength decrease under 25 MPa above 1250 . The first brittleness temperature is 1250 to melting temperature and the third brittleness temperature is 950-1050 . At 1050-1200 , the reduction of area is higher than 65%, and the hot ductility is well.Key words：304 stainless steel; mechanical properties; high temperature properties304 不锈钢作为一种通用型奥氏体不锈钢，应 用范围广泛。在实际的连铸生产过程中，经常出现表 面裂纹、凹坑等缺陷。钢种的高温力学性能对分析及 预防铸坯缺陷的产生具有重要意义。目前，国内外对 304 不锈钢高温特性的研究较少， 研究内容不够全 面1-2。 为了提高 304 不锈钢的质量，本文研究了 304 不锈钢的高温力学性能， 除能获得高温强度和塑性 的基础数据之外， 还为连铸数值模拟提供零强度温 度(ZST)和零塑性温度(ZDT)基础物性参数，对该钢 种的连铸生产及数值模拟具有指导意义3。1实验材料与方法选用某厂生 产的 304 不锈 钢 进 行 高 温 拉 伸 试 验，同时借助蔡司显微镜和扫描电镜观察和分析组 织及断口形貌。 材料的主要化学成分见表 1。 试验尺收稿日期:2013-11-01作者简介:董方(1964- ),男,内蒙古包头人,教授,博士,主要从事钢铁冶 金新工艺新技术;电话E-mail:表 1 304 不锈钢的化学成分(质量分数,%) Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel(wt%)CSiMnPSCrNi0.0400.451.180.0300.00317.2458.112寸 按 GB/T 4338-2006 机 加 工 为 准10 mm120 mm15.2589.516.2510 +0.000准 -0.025P=1.5 120图 1 测试试样的示意图 (mm) Fig.1 The size of test sample (mm)M15.25 mm 的圆棒试样，如图 1 所示。采用 Gleeble-1500D 热模拟机对 304 不锈钢进 行高温拉伸试验， 测定一定温度范围内 304 不锈钢 的屈服强度、抗拉强度以及断面收缩率，并且确定该 钢种的零强度温度(ZST)和零塑性温度(ZDT)。加热制度如图 2 所示。 测试温度 7001400 。 从 700 开 始 ， 每 隔 50 为 一 个 测 试 温 度 点 。 以 10 /s 的加热速度将试样加热到测试温度 30 以 下，然后以 5 /s 将试样加热到峰值温度点(比测试30 s2/度5/s/s温60 s空冷10/s时间 /s图 2 拉伸试验加热制度Fig.2 Heating system of tensile tests温度高 20 )，保温 30 s 后又以 2 /s 的降温速度降 到测试温度，保温 60 s 后以 110-3/s-1 的应变速率将 试样拉断。2 结果与分析2.1 304 不锈钢的高温强度钢材的屈服强度和抗拉强度是表征其强度的俩 个重要指标。 屈服强度是材料发生塑性变形时抗力 的大小，可判别材料发生塑性变形的难易程度；抗拉 强度是材料变形达到最大时的应力大小，是判定材料 产生裂纹的主要依据。 连铸生产过程中，铸坯某点所 受应力超过屈服强度铸坯就会发生塑性变形；当应力 大于抗拉强度，铸坯表面即会产生裂纹。350300抗拉强度屈服强度250aP M 200/度 150强100500700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400温度 /图 3 304 不锈钢抗拉强度、屈服强度与温度的关系 Fig.3 Relationship between tension strength, yield strength and temperature图 3 为 304 不锈钢抗拉强度、 屈服强度与温度 的关系。 可看出，随着温度的升高，304 不锈钢的抗 拉强度及屈服强度不断降低，表明随温度升高，铸坯 的强度变差。 抗拉强度在 750900 内，下降较快； 高于 1200 后，抗拉强度的下降趋于平缓；温度高 于 1150 ，抗拉强度数值下降到 30 MPa 以下。 表明 高温条件下， 铸坯所受应力易超过强度极限引发非 均匀塑性变形，导致裂纹产生。 在 1370 左右，抗拉 强度下降为 0 MPa 左右，故可将 1370 作为 304 不 锈钢的零强度温度(ZST)的参考值。在 700850 ，屈服强度下降很快，在 1000 左右，屈服强度达到第一个低值，约为 50 MPa。 在 1200 之后屈服强度趋于平缓，在 1250 以后屈服 强度均小于 20 MPa，表明铸坯在高温条件下抵抗外 力的能力变差，易发生塑性变形。2.2 304 不锈钢的高温热塑性80)% 60 (率缩 收 40面 断 200600 700 800 900 1000 1100120013001400温度 /图 4 304 不锈钢断面收缩率与温度的关系Fig.4 Relationship between cross-section shrinkage ratio and temperature材料的断面收缩率是衡量其塑性优劣的重要指 标之一。它反应了材料塑性变形能力的大小。断面收 缩率越大，材料的塑性越好，抵抗外力作用产生裂纹 的能力就越强。 图 4 为 304 不锈钢断面收缩率与温 度的关系。由图 4 可知，在 9501050 内，断面收缩率出 现第一个低值，称为第三脆性区。 在 1000 时达到 最小，为 55%左右。 第三脆性区的出现是铸坯出现 裂纹的重要因素之一， 它引起脆化的主要原因来自 俩个方面 4-5。 一方面是奥氏体晶界的脆化， 由于 NbN、AlN 等质点在奥氏体晶界的沉积，在外力的作 用下会引起晶界的滑移，产生孔洞，使晶界的脆性增 加。 另一方面由发生 相变产生。 由于铁素体强 度较奥氏体小得多，在这一温度区间，仅为奥氏体的 1/46,7，所以当在奥氏体晶界附近产生铁素体时，应 力作用下易使晶界发生不均匀变形使得晶界脆化。图 5 为试样在 1000 时的宏观断口扫描电镜 照片。 可看出， 断口表面分布着许多凹凸不平的浅 窝， 说明处于低塑性区时试样的断裂方式属于沿晶 断裂。 断口表面颜色灰暗，反光能力较差，这与试验 的真空度较低有关。在 10501200 ，断面收缩率均大于 65%，塑性 较好，为高温塑性区域。 大量的试验和理论研究指出当 断面收缩率大于 60%时，材料具有良好的塑性，出现裂 纹的机率较少，低于 60%时则相反，材料的裂纹敏感100 m图 5 1000试样断口扫描电镜照片Fig.5 SEM images of samples at 1000性会增加8-9。 所以，在 304 不锈钢的连铸生产过程 中，当铸坯处于二冷及矫直区域时，应控制铸坯表面 温度大于 1050，以达到降低表面缺陷的目的。奥氏体 块状铁素体20 m图 6 1250 拉伸试样断口组织形貌Fig.6 Microstructure of fracture surface for tensile sample at 1250 在 1250到液相线温度的整个区间，断面收缩率 迅速降低到 60%以下， 出现第一脆性区。 温度高于 1300 ，断面收缩率的下降趋势尤为显著。 在 1350 左右， 断面收缩率下降为 2%左右， 可将 1350作为 304 不锈钢的零塑性温度(ZDT)的参考值。研究表明10， 第一脆性区的出现是不可避免的，这主要是由存在于 树枝晶界面上残余的液相薄膜致使晶界熔化产生的。 图 6 为试样在 1250时拉断后放大的金相组织图，其 中白色基体为奥氏体，不规则多边形为块状铁素体。借 助 于 经 Schneider 修 改 过 的 Schaeffler 图 1130A(奥氏体)% 20，tA+MA+Fw (量当 镍 10M(马氏体)A+M+FM+FF(铁素体)0010203040铬当量(wt，%)图 7 经 Schneider 修改过的 Schaeffler 图Fig.7 Schaeffler picture which corrected by Schneider(图 7) 可以粗略地推断出不锈钢从高温状态冷却至室温后所获得的组织结 构 与 其 化 学 成 分 之 间 的 关 系， 对定性估计该类钢中铁素体形成的可能性具有 一定的指导作用。 该图中的横坐标(铬当量)和纵坐标 (镍当量)分别代表铁素体形成元素(Ni、N、C、Mn、Co 等)和奥氏体形成元素(Cr、Mo、Al、Si、Ti 等)对不锈 钢组织结构的综合影响。 其数值可由式(1)、(2)计算。镍当量(%)=%Ni+%Co+30(%C)+25(%N)+0.5(%Mn)+0.3(%Cu)(1)铬当量(%)=%Cr+2(%Si)+1.5(%Mn)+5(%V)+5.5(%Al)+1.75(%Nb)+1.5(%Ti)+0.75(%W)(2)根据实验钢种成分，计算得镍当量为 9.902，铬当 量为 19.915。 根据计算值并对照图 7 可看出，304 不 锈钢从高温状态冷却到室温后的组织为 A+F，即奥氏 体+铁素体。 这与实验观察到的结果一致。奥氏体不锈钢在高温状态下产生的 铁素体， 属于奥氏体()与液相(L)之间的过渡相。 在加热到 1300以上时， 会涉及到 、+L 以及 L 等相变， 由于体心立方的铁素体和面心立方的奥氏 体在化学成分、 力学性能以及热稳定性等方面的差 异以及液相的产生， 导致 304 不锈钢在高温状态下 的强度及塑性都发生很大改变。同时，这些相变的形 态 和 分 布 会 直 接 影 响 到 随 后 冷 却 过 程 中 相 变，并最终决定钢种的室温组织及力学性能。3 结论(1) 零强度温度(ZST)和零塑性温度(ZDT)是衡 量钢种高温性能的重要参数， 可用来判断铸坯凝固 层抵抗裂纹 能力的大小 。 试验测定 ZST=1370 ， ZDT=1350 。(2) 测试温度范围内 304 不锈钢屈服强度及抗 拉强度总体均随温度的升高而降低，在 1250以上， 抗拉强度均处于 30MPa 以下，屈服强度处于 20 MPa 以下，表明铸坯在高温下抵抗外力的能力变差。(3) 304 不锈钢的第一脆性区的温度范围 1250 到熔点， 第三脆性区的温度范围 9501050 。 在 10501200 ，断面收缩率均大于 65%，塑性较好。 控制二冷及矫直区的铸坯表面温度高于 1050 ，可 减少铸坯表面缺陷的发生。参考文献:1 Daw J E，Rempe J L， Knudson D L，et alThermal expansion coefficient of steels used in LWR vessels JJournal of Nuclear Materials，2008，376(2)：211-215(下转第 101 页)解，腐蚀减弱。所以，随浓度增大，腐蚀呈先增强后减 弱的趋势。 同浓度下，随着腐蚀环境温度的升高，腐 蚀加剧，这是因为温度升高，系统热能增大，促进磷 酸水解，腐蚀加剧。不锈钢的晶间腐蚀与组织敏感性 有关，根据贫 Cr 理论解释5，奥氏体不锈钢从固溶 温度冷却， 过饱和的 C 和 Cr 形成碳化物在晶界析 出，Cr 在奥氏体中的扩散速度慢， 晶界两侧形成贫 Cr 区，即晶界和晶粒本身有明显差异。 而铁素体不进行阳极极化都能够出现钝化现象，随浓度增大，钝 化区间有微弱的增大趋向；致钝电位先负移后正移， 腐蚀电流密度先增大后减小， 腐蚀强烈时有晶间腐 蚀现象。参考文献：1张丽萍2205 双相不锈钢在醋酸环境下的点蚀行为研究J 化学工程与装备，2009(8)：39-42锈钢，Cr 在铁素体中扩散速度较快， 这样的特点使2徐 增 华 金 属 耐 蚀 材 料 J 腐 蚀 与 防 护 ，2001，22 (7)：321-3243姜文勇，王丽萍，冯义成，等Mn 含量对 Cr25NiMo2Cu3RE 双化铬，形成晶界贫 Cr。 上述两种情况都促使晶间腐相钢组织和性能的影响J热加工工艺，2012，24(12)：63-65蚀 发 生 ， 在 本 实 验 中 ， 在 腐 蚀 介 质 促 进 作 用 下 ，4张雨，王均，石树坤等时效对 2205 双相不锈钢在硫环境下的 42.5%浓度下尤其促进晶间腐蚀， 以至局部腐蚀以电化学腐蚀行为 J 中国腐蚀与防护学报 ，2012，12 (6)：晶间腐蚀形式表现。496-5005龚敏，邹振，郑兴文 ，等2205 双相不锈钢在卤水环境中的腐 3结论蚀行为J腐蚀与防护学报，2009，30(7)：473-4766龚敏金属腐蚀理论及腐蚀控制M北京：化学工业出版社，(1) 双相不锈钢在磷酸溶液的腐蚀介质中将发生腐蚀现象，腐蚀随温度升高而增强。72011程学群，李晓刚，杜翠薇316 不锈钢在含 Cl- 高温醋酸溶液中 (2) 双相不锈钢在不同磷酸浓度的腐蚀介质中的电化学行为J金属学报，2006(3)：299-304(上接第 95 页)4王春芬，李雪峰，张海峰，等曲轴断裂原因分析J热加工工艺，2011，40(24)：240-242参考文献:5马承民，黄智全16V240ZJB 柴油机锻钢曲轴断裂失效分析及1刘光华，张永秀，李 瑞发动机曲轴的强度、材料与工艺J改进J资厂科技，1995(1)：20-25汽车工艺与材料，2001 (9)： 1-86张志文锻造工艺学M北京：机械工业出版社，19882范 荫，金 燕，孟昭昕曲轴疲劳寿命预测J上海汽车，19977李克生，王阔军，田进安40Cr 锻钢曲轴毛坯调质裂纹分析及(10)：41-44技术对策J国外金属热处理，2003(6)：42-433徐戊矫，朱若岭，周 杰大型船用曲轴 TR 法镦锻成形缺陷分 8于善伟，姜树成，王鹏，等压力机传动曲轴断裂失效分析J析与工艺优化J热加工工艺，2010(7)：155-158热处理，2010(1)：73-74铁素体不锈钢从高