冷变形对304奥氏体不锈钢氢脆敏感性的影响

冷变形对304奥氏体不锈钢氢脆敏感性的影响

304号的不锈钢在美国是一种优良的耐酸性和耐腐蚀性的材料，也被用作储氢材料的替代品。本文以304奥氏体不锈钢为研究对象，通过电化学手段对材料进行充氢，通过对比固溶态、20%、40%冷轧态三种不同状态下相同厚度的试验钢氢脆敏感性、拉伸断口和微观组织等来讨论冷变形对304奥氏体不锈钢组织、力学性能及抗氢脆性能的影响。1拉伸试样的制备试验材料为5mm厚的304奥氏体不锈钢，化学成分如表1所示。为了排除不同厚度对样品充氢的影响，采用以下不同变形量工艺轧制到相同厚度的试验板进行研究。(1)冷轧：将5mm厚，32mm宽的钢条分别冷轧至2、2.5、3.3mm厚，宽度约为35mm，然后在1050℃固溶20min，水冷到室温，最后都冷轧至2mm厚，相应的变形量为0%、20%、40%。(2)充氢：将不同工艺处理后的拉伸试样在1mol/LNaOH+1g/L硫脲中以50mA/cm对所有样品均采用标准金相技术研磨抛光，在65%硝酸溶液中电蚀。利用Leica-2500M光学显微镜对腐蚀后的金相进行表征；在25V的电压下，在-30℃的高氯酸（5%）和无水乙醇（95%）溶液中对每个试样进行电解抛光60s后进行电子背散射衍射（EBSD）检测；使用SmartLabX射线衍射仪（XRD）对组织中两相比例进行检测。通过电火花线切割在板材宽度中间切取拉伸试样，形状尺寸如图1所示，厚度为2mm。用DNS200电子万能试验机测定室温下的伸长率（EL），引伸计标距为25mm。用三个重复试样计算平均值。并用TescanMira3场发射扫描电子显微镜对断口形貌进行表征。为了方便，之后的讨论中将2mm固溶的试样标记为S(solution），冷轧的试样标记为CR(coldrolling），相应充氢后的试样在后面加-H，如CR-20%表示未充氢的20%冷轧试验钢，S-H表示固溶态充氢后的试验钢。2试验结果与分析2.1固溶态hf图2为不同状态下试验钢的组织图（彩色图见网络版）。从图2(a)～(c）可以看到，固溶态全由等轴奥氏体晶粒组成，变形后奥氏体晶粒呈扁平拉伸状，变形40%后晶粒更是呈现长条纤维状，同时变形使晶粒细化。由于金相腐蚀看不到马氏体组织，我们对三种试验钢做了EBSD检测，图2(d)～(f）为各状态的相组成，其中蓝色表示为奥氏体组织，黄色为马氏体组织（固溶态中有少量可忽略的δ高温铁素体，属正常现象），可以看到随着变形量的增大，马氏体组织越来越多，变形40%后马氏体组织占到一半。亚稳态奥氏体不锈钢层错能较低，变形时，较低的层错能有利于形成平面变形结构，从而能够产生有利的马氏体相变核心因为EBSD检测的是更微观的区域，对两相比例的检测不代表典型性。我们又对所有状态样品做了XRD测试，XRD试样要进行电解抛光，排除磨样过程中样品表面由于摩擦产生的相变马氏体，结果如图3所示。图3显示固溶态试验钢由（111）、（200）、（220）、（311）的奥氏体衍射峰组成。冷轧20%后奥氏体峰减弱，同时产生了（110）、（200）和（211）α马氏体衍射峰，冷轧40%后（200）和（211）α马氏体衍射峰进一步增强，奥氏体衍射峰（200）、（311）消失，只剩γ（111）、γ（220）。根据常用两相体积比例公式（2)式中：V2.2．变形发生的原因图4为三种状态的试验钢充氢前后的应力-应变曲线。从图4可以看出，冷变形使试验钢强度升高，塑性下降，这是变形引入位错密度、晶粒细化和马氏体含量增加而所引起的。所有状态试验钢充氢后强度变化不大，断后伸长率均降低，但是固溶态充氢后伸长率损失较小，冷轧态伸长率损失大幅上升，尤其40%变形后试验钢充氢后几乎没有发生塑性变形就断裂（表3），用式（3）表示氢脆敏感性式中：δ2.3试验波层裂纹特征图5中的低倍SEM图像显示了各状态充氢前后断裂样品侧视面形态。由图5看出，所有状态试验钢充氢前断口侧面都没有裂纹，断口处有不同程度颈缩，且都呈杯锥状，这是韧性断裂的特征。各状态充氢后在垂直于加载方向的试样颈缩区外表面上出现不同程度的裂纹，这是氢脆的一个典型表现。固溶态小裂纹数量最少，仅在边部有短小裂纹，受氢影响较小。冷轧20%后裂纹数量、平均长度和深度显著增加。表面裂纹的数量与材料的脆性有关。表面小裂纹数量的增加表明材料从表面开裂到最终断裂的应变较大，所以开裂后的变形形成更多的表面裂纹，冷轧20%时表面开裂后裂纹开始迅速扩展，并在小应变后达到最终断裂，形成大量的长深裂纹，而冷轧40%后几乎没有发生塑性变形就直接断裂，反而没有来得及形成裂纹将不同状态试验钢充氢前后的拉伸断口高倍图像通过扫描电镜进行表征，如图6所示。图6(a)～(c）为各状态试验钢充氢前断口形貌，图6(d)～(f）为相应各状态试验钢充氢后的断口边部形貌（心部影响不大）。图6(a)～(c）显示所有状态试验钢充氢前断口均为韧窝特征，标准的韧性断裂。明显看出，固溶态韧窝均匀、多、深，冷轧态韧窝较小、较浅。图6(d)～(f）表明所有状态试验钢充氢后均为脆性断裂：图6(d）显示固溶态试验钢充氢后断口边部为河流状解理断裂和撕裂棱准解理断裂，图6(e）显示20%冷轧充氢后试验钢断口为解理断裂和沿晶断裂，而图6(f）显示40%冷轧充氢后试验钢断口全为沿晶断裂并有大量的二次裂纹。这是因为冷变形后马氏体在晶界形核，马氏体的氢扩散系数高，溶氢能力低，氢在马氏体和奥氏体界面上富集；同时氢随着位错运动，位错在晶界上湮灭时也会造成氢在界面上富集，因此造成了沿晶断裂3不锈钢及其他聚合物氢脆敏感性(1）冷变形使304奥氏体不锈钢中产生应变诱导马氏体，变形量越大，应变诱导马氏体越多。(2)304奥氏体不锈钢