钒对单铌稳定18cr-2o铁素体不锈钢组织性能的影响

钒对单铌稳定18cr-2o铁素体不锈钢组织性能的影响

18c-2mo铁素体不锈钢具有良好的耐腐蚀性，主要用于太阳能加热、储水池、弱酸发泡池等设备，但其低耐盐性和易脆性有限，用于工业领域。降低碳氮含量和添加稳定化元素是目前解决铁素体不锈钢低韧性和易脆化最有效的方法,通常单独或复合添加Nb、Ti和V等元素进一步降低碳氮水平,以获得优良的综合性能。钛的氮化物在液相时就已形成,析出相易长大粗化,对其韧性有极大的损害,故钛的添加量不易控制;而钒是强碳氮化物形成元素,析出温度低,其析出相在液相线以下形成,而且可以无限固溶在铁素体里,故其颗粒尺寸易控制。Paton研究表明,钒对提高18Cr铁素体不锈钢的耐局部腐蚀性能和韧性有利,也许与其消除晶界上粗大铬的碳氮化物有关。SMAbbai等在Cr-Ni-Mo-Cu-Ti体系不锈钢基础上添加钒,认为wV=0.5%～1.0%时,钢的力学性能最佳,这主要跟VCN析出温度低有关。Jackson等研究认为,钒的碳氮化物尺寸大小和分布可以降低钢的脆性断裂倾向,提高抗裂纹形成能力。目前,关于钒在不锈钢中的作用机制尚不明确,因此笔者在少量铌稳定18Cr-2Mo钢的基础上,添加不同含量的钒,观察和测试试验钢的微观组织、力学性能及腐蚀性能,研究钒对18Cr-2Mo铁素体不锈钢的性能影响,期望能为钒在铁素体不锈钢的应用研究提供一定的理论依据。1试验材料和方法1.1学成分质量分数,%设计了3种成分试验钢并经真空感应电炉冶炼,浇注成钢锭,试验钢的化学成分(质量分数,%)见表1。将钢锭锻打成厚40mm的锻坯,随后加热至1150℃保温2h,经过4道次热轧,将方坯轧成厚12mm的板坯。最后在1050℃保温12min进行固溶退火处理,水冷至室温。1.2试验钢和点蚀电位用Thermo-Calc热力学软件计算分析析出相的平衡析出温度及成分。采用ZEISSAxioplan2型金相显微镜观察试验钢的金相组织,并在Quanta600FEG型场发射扫描电子显微镜(SEM)和JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)下观察析出相的分布、形貌及尺寸等特征。为进一步分析试验钢的析出相,对试验钢进行电化学萃取,萃取液采用甲醇盐酸溶液,电流密度为0.6A/cm2,随后在X-PERT型X射线衍射仪(XRD)上进行物相鉴别。在INSTRON-5985型拉伸仪和INSTRON-9250型摆锤冲击仪进行拉伸和冲击试验以评价其力学性能,拉伸试验依据GB/T228—2002标准,采用纵向拉伸试样。按照GB/T229—2007标准选取尺寸为10mm×10mm×55mm的横向冲击试样,并在SEM下观察冲击断口形貌。为考察试验钢的耐点腐蚀性能,用PrincetonVMP3多通道恒电位仪测量试验钢的点蚀电位,依据试验标准GB/T17899—1999,测试前浸泡时间为15min左右,直至开路电位波动小于2mV/min,腐蚀介质采用3.5%NaCl溶液,试验温度为30℃,扫描速度为20mV/min。浸泡腐蚀试验标准依据GB/T17897—1999,试样尺寸为20mm×30mm×4mm,腐蚀溶液采用6%FeCl3盐酸溶液,试验温度为50℃,连续腐蚀时间为24h,测量其腐蚀失重率,即点腐蚀速率。2试验结果与分析2.1钒对18cr-2mo铁素体不锈钢晶粒度的影响对热轧退火板试样的横截面进行金相观察,图1为不同试样厚度中间部位的微观组织。3种试验钢中心层均为等轴晶组织,没有发现条带状组织,说明在本试验退火制度下,材料发生了完全再结晶,晶粒度评级测定3种试验钢的晶粒度分别为ASTM2.0级、1.5级、2.0级。可见,相同轧制工艺及后续热处理工艺条件下,不同钒含量钢的晶粒大小基本没有变化,说明钒对18Cr-2Mo铁素体不锈钢的晶粒度影响很小。图2为V-H钢析出相的SEM照片,细小的析出相弥散分布于晶内和晶界。由于析出相尺寸较小,EDS并不能准确判定析出相的成分组成,为分析钢的组成相,采用电化学方法对V-H钢母材进行萃取,溶解铁素体母材,得到其他相颗粒粉末。将颗粒粉末进行XRD物相衍射分析,结果如图3所示。分析表明:析出相主要为NbC和VN。为进一步分析NbC和VN的尺寸和形貌,在TEM下进行析出相观察,图4为V-H钢析出相的TEM照片,经鉴定都为NbC,其中图4(a)中插入的是选区电子衍射花样,从花样可知NbC为面心立方点阵;从图4(a)～(c)可知,NbC分布于晶内,形貌为不规则四边形、球形及椭球形,尺寸为100～250nm。但本试验并未观察到VN,这可能与试样制备条件及VN析出相尺寸细小有关。2.2试验结果分析图5所示为不同钒含量试验钢冲击功随温度变化的关系曲线,图中数据点为3个平行试样试验值的平均值。由数据点可知,V-F钢冲击韧性上平台值和下平台值波动都不大,V-L钢与V-F钢相比上平台冲击值较低,而下平台值稍高一些。图中曲线由Boltzmann函数拟合而成,取最大冲击功与最小冲击功之差一半时所对应的温度为韧脆转变温度,得到V-F钢和V-L钢的韧脆转变温度约为-10℃,V-H钢的韧脆转变温度约为-30℃;与V-F钢相比,V-L钢的韧脆转变温度虽然没有降低,但其韧脆转变温度区间明显变宽,而V-H钢的韧脆转温度则明显降低了约20℃左右,同时从数据点可看出V-H在-30℃时,冲击值仍然大于250J,说明钒明显提高了试验钢低温冲击韧性。图6为3种试验钢的冲击断口形貌SEM照片,从图6(a)～(d)可看出,V-F钢和V-L钢在-20℃时解理断口的河流花样清晰可见,断口呈现出典型脆性断裂形貌,说明-20℃已在材料的韧脆转变温度之下;而V-H钢在-30℃时试样宏观断口上下部分呈现出两种完全不同的形貌,分为韧性区和脆性区,靠近缺口处为韧性区,微观断口呈现大量剪切状韧窝状,具有明显的韧性断裂特征,而远离缺口的区域为脆性区,可明显看到平坦的解理台阶和放射状扇形解理面,说明在-30℃左右时V-H已经开始呈现脆性断裂的特征,两区的比例约3∶1,这与冲击试验的拟合结果是相吻合的。铁素体不锈钢的力学性能取决于微观组织,对于单一铁素体组织的铁素体不锈钢,影响其性能的主要因素为晶粒度和析出相。本文3种试验钢的屈服强度分别为322、308和318MPa,可见相差很小,另外试验钢的晶粒尺寸也相近,所以笔者认为V-L钢和V-H钢低温韧性的提高主要跟析出相的数量、分布形态和尺寸大小有关。析出相的分布和析出数量对韧性的影响大于晶粒度的影响,析出相破坏了基体的连续性,对钢的韧性不利,但弥散的M(C,N)型质点与基体的结合力强,本身强度高于铁素体,并且尺寸越是细小,对钢的韧性危害也越小,有文献认为当析出相尺寸为6～8nm时对钢的强韧化作用才会达到最佳化。由Thermo-Calc热力学软件计算得到试验钢的平衡相图如图7所示,由图可知V-F中析出相NbC和NbN析出温度分别为1062和1094℃;随着钒含量增加,(Nb,V)(C,N)析出温度从1100℃上升到1113℃。结合XRD试验结果可知,(Nb,V)(C,N)主要为NbC和VN复合混合物,从曲线可知3种成分试验钢析出相的总量基本不变,通过进一步相图计算,V-L和V-H钢(Nb,V)(C,N)中钒的质量分数分别为2.26%和4.58%,说明VN在(Nb,V)(C,N)中的比例增大。综上分析,钒改善钢冲击韧性的机制为:钒提高了(Nb,V)(C,N)的析出温度,钒与氮的结合进一步降低了氮的固溶量;同时VN尺寸较NbC和NbN更为细小,有文献指出,钢中wV=0.1%～0.5%时,VN或VC尺寸为10～30nm,且复合互溶物(Nb,V)(C,N)的平均尺寸也会随着CV/CNb的增加而减小,因此随着钒含量的增加,VN析出增多,其在(Nb,V)(C,N)中的比例逐渐提高,在析出总量基本不变的情况下,析出相的平均尺寸更加细小,从而改善钢的韧性,降低其韧脆转变温度。2.3点蚀坑宏观形貌表2为3种试验钢的点蚀电位Ep和失重速率R。由表2可知,随着钒含量的增加,钢的点蚀电位逐渐提高,失重速率逐渐降低,其中当wV=0.36%时,V-H的点蚀电位提高了40mV,腐蚀失重率也降低至V-F的1/2左右。图8为浸泡后点蚀坑宏观形貌,V-F点蚀坑密集分布于边缘和表层中央,明显多于V-L和V-H,且直径为1mm左右,V-L点蚀坑大小与V-F相差不多,但数量明显比前者少,V-H表面点蚀坑则最小,而且只有边缘位置分布着少量的点蚀坑;图9为浸泡后点蚀坑微观形貌,对比图9(a)～(c)中箭头所指的区域,可知不加钒钢点蚀坑周围分布着许多的亚点蚀坑,而加钒钢点蚀坑周围的表面很平滑,亚点蚀坑极少,可能是由于添加的钒降低了钢的表面活性,对点蚀的萌生形核有一定阻滞作用,从而提高钢的耐点蚀性能。3钒与铁素体不锈钢的复合相1)在本文试验条件下,钒对18Cr-2Mo铁素体不锈钢的晶粒尺寸及力学拉伸性能基本无影响。2)钒明显改善了试验钢的低温冲