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Al对310S耐热不锈钢高温拉伸性能的影响

作者:admin 来源: 日期:2020/6/1 19:37:55 人气:27

通过压力机和手动轧制机对WS-4非自耗真空电弧炉熔炼制备的Al的质量分数为0%、2%、4%的310S耐热不锈钢在950~1250℃进行开坯轧制,研究不同Al含量的310S耐热不锈钢热轧板材在800℃下的高温拉伸性能,用SEM观察拉伸断口。结果表明:不含Al和Al的质量分数为2%的合金,它们的高温抗拉强度均为210MPa左右,但当Al的质量分数增加到4%时,合金的热强性显著提高。3种合金拉伸断面均可以看到大小明显不同的显微韧窝,合金在断裂前经历了比较大的塑性变形,所以均为韧性沿晶断裂。随Al含量的增加,合金断口中的显微韧窝所占的比例随之增加。

310S耐热不锈钢是Cr的质量分数为25%,Ni的质量分数为20%的高Cr-Ni奥氏体耐热不锈钢,是具有比较好的应用前景的耐热不锈钢。在高温氧化环境中具有良好的高温力学性能,同时具有优良的耐蚀性,因此常用于炉管材料、石油化工、化肥厂转化炉。

高温合金的强化方式有奥氏体的固溶强化、晶界强化以及第二相强化。在Fe-Cr-Ni合金中加Al、Ti、Nb、Ta等元素,引起晶格点阵的畸变,增强了固溶体原子键引力,也能够提高再结晶温度和延缓再结晶过程的进行。从而提高合金的高温性能,在镍基高温合金中已得到大量应用。

Al与Fe、Ni发生反应形成热力学稳定而且有序的金属间化合物,能够阻止位错的滑移和攀移。并且由于键的结合力比较强以及原子排列复杂,使得该合金具有低自扩散系数,能获得比较高的变形抗力,从而具有比较高的高温强度。加入这些微量元素吸附在晶界附近造成局部合金化,改善晶界性质,减缓了合金元素沿晶界扩散的过程,阻止了晶界上碳化物相和空穴的凝聚和长大,强化了晶界。

奥氏体耐热不锈钢的抗氧化性与其表面生成的氧化膜有很大的关系。奥氏体耐热不锈钢中加入适量Al元素,使钢表面氧化膜的组成以Cr2O3为主向Cr2O3和Al2O3转变。对Fe-Cr-Ni-Al合金的研究表明,Al2O3膜稳定性好、结合能力强、致密性好、耐高温、生长缓慢。在高温和腐蚀性环境下,对材料本身具有长时间的保护作用,从而大大改善了合金的抗氧化性。为了获得足够的Al的氧化膜,必须有足够的Al加入,而且随着温度的升高、使用时间的延长以及环境的影响(如水蒸气氛围的变化、加载力的增大等),Al的加入量也要求相应增加。对于不同的使用材料,要根据其使用环境和使用寿命加入适量的元素。前期本课题组研究了Al元素对铸态310S钢的压缩性能和热轧态组织的影响及其作用机制和高温抗氧化性能的影响。

本文研究了不同Al含量的310S热轧态钢板的高温拉伸性能,揭示Al元素对高温拉伸性能的影响规律及作用机制,为含Al的310S不锈钢板材的研究和制备提供理论依据。

1试验过程

按表1设计的成分称取各种元素的粉末。放入QM-BP行星式球磨机中进行混合,用Al2O3陶瓷球作为球磨介质,球磨机转速在150r/min左右,混合8h。把混合均匀以后的粉末在钢模中用压力机压成20mm×50mm圆柱,熔炼电流为250A,用氩气气氛对炉内样品进行保护,将压成的圆柱放在WS-4非自耗真空电弧中进行熔炼。熔炼的钢液在用水冷却的铜坩埚中保温2min以后立即关闭电弧,在Cu模中凝固,合金重熔4~6次,经过几次重熔以后,使其组织的致密和元素分布均匀。

将熔炼好的合金块状固体打磨掉表面氧化皮、缺陷。在炉中的保温时间为30~40min,用千斤顶配套特制夹具进行热压开坯,开坯温度为1200℃,开坯压力为60~80MPa,进行8~10道次的热压开坯,开坯变形量约为60%。

开坯以后的试样用线切割加工成30mm×30mm×4mm的块状材料,采用手动轧制机进行高温轧制;试样轧制温度为1200℃,炉内保温时间5min,轧制道次16~20道次,轧制以后总的变形量约为40%,也就是厚度为3mm的板材试样。在轧制结束以后,各合金在400℃下保温2h,去应力退火,目的是为消除试样开坯和轧制过程中产生的内应力。

利用EPMA-1600电子探针对3号合金各元素进行分析,结果如表2所示。1号和2号合金除了Al元素的含量不同,其他元素的含量不变。

参照《金属材料高温拉伸试验》国家标准GB/T4338—1995的技术要求,将不同Al含量的310S耐热不锈钢板材加工成图1所示的高温拉伸试样。用岛津AT-10试验机做高温拉伸试验,最大载荷100kN,拉伸速度0.3mm/min,拉伸温度800℃。每个参数的合金进行3次拉伸测试,根据载荷-位移曲线计算出相应的应力和应变值,求其平均值,得出应力-应变(σ-ε)曲线。根据绘制出的σ-ε曲线,确定出每种合金成分的屈服强度、抗拉强度以及伸长率。

利用JSM-6700F扫描电子显微镜对各断口的形貌进行观察。

2试验结果

2.1高温拉伸性能

图2为不同Al含量的310S耐热不锈钢板材在800℃时的应力-应变曲线。可以看出,各合金均具有良好的塑性变形特征。不含Al和Al的质量分数为2%的合金的高温强度明显低于Al的质量分数为4%的合金,而伸长率大大高于后者。

图3为不同Al含量的310S耐热不锈钢板材在800℃下的屈服强度和抗拉强度。不含Al和Al的质量分数为2%的310S耐热不锈钢板材在800℃下的屈服强度相近,分别为163和162MPa。当Al的质量分数增加到4%时,合金的高温屈服强度显著提高,为229MPa。不含Al和Al的质量分数为2%的310S耐热不锈钢板材在800℃下的抗拉强度基本不变,分别为213和210MPa。当Al的质量分数增加到4%时,合金的抗拉强度增加,为273MPa。由此可以看出,Al的质量分数不大于2%时,对合金的高温强度影响不大,随着Al含量的继续增加,合金的高温强度显著提高。

图4为不同Al含量的310S耐热不锈钢板材在800℃下的伸长率。随着Al含量的增加,合金的伸长率先升高后降低,Al的质量分数为2%时具有最大的伸长率,为36%。不含Al和Al的质量分数为4%的合金,其伸长率分别为28.2%和25.5%。上述结果表明,Al的质量分数为2%能够使310S的高温塑性提高,但是不利于高温抗蠕变性能,而Al的质量分数为4%有利于高温抗蠕变性能的提高。

2.2高温拉伸断口的形貌观察

图5为不同Al含量的310S耐热不锈钢板材800℃拉伸后的断口形貌。可以看出,3种合金的晶界上均可以看到明显的显微韧窝,且合金在断裂前经历了较大的塑性变形,3种合金的高温断裂方式均为沿晶韧性断裂。

3讨论

Al元素加入以后,在铸态下,Al原子固溶在其奥氏体基体中。基体上只有少量的Cr7C3的析出物,并没有发生Al元素的富集现象,从而可以看出在铸态时没有形成Al4C3的析出物。当把试件进行高温下开坯、轧制以后,晶格发生严重畸变,Al原子在奥氏体基体中的溶解度随之降低,多余的Al原子从基体中析出来。由于奥氏体耐热不锈钢中Ni的质量分数为20%左右,相对较低,Al原子容易与C原子结合,没有形成(Fe,Ni)Al金属间化合物,而是以富Al的颗粒状Al4C3相析出。以前的研究表明,Al元素的含量越高,富集现象越严重。由于形成了Al4C3的析出物,从而大大降低了形成析出物Cr7C3可支配的C原子个数。

从显微组织中,可以看到3种合金的组织致密,元素分布均匀。1号合金与2号合金相比,高温强度基本没有变化。可以看出,相对于1号合金(图6(a),白色相为Fe、Ni、Cr组成的γ基体,黑色相是由Cr和C组成的Cr7C3)的黑色相是呈团聚状分布的Cr7C3,2号合金,如图7(a)所示(由γ基体+白色颗粒状Cr7C3+黑色大颗粒状Al4C3+黑色小颗粒状(Fe,Ni)Al金属间化合物组成),Cr7C3的尺寸明显增大,但是数量大大减少,形貌上呈现出断续的链条状分布,同时基体内形成了一定量富Al的沉淀相Al4C3。Al元素加入以后,使Cr7C3的数量减少,随之对位错运动和晶界滑移的阻碍作用也变小,减弱了析出物Cr7C3的沉淀强化作用,强度本应大幅度降低,但Al的加入使基体内晶界上形成了细而稳定的弥散的Al4C3颗粒(质量分数约为2.7%),这些Al4C3颗粒阻碍了位错的运动和晶界的滑移,补充了Cr7C3在高温下对位错的阻碍作用,因此加入质量分数为2%的Al之后,材料的高温强度基本没有变化。当Al的质量分数增大到4%时(3号合金),3号合金的高温强度明显高于1、2号合金,Cr7C3的含量进一步减少,并且Al4C3的含量显著增加(图8)。

不同Al含量的合金的X射线衍射图如图9所示,合金都是奥氏体基体。奥氏体耐热不锈钢进行高温拉伸变形,在加载时的均匀变形过程中,合金内部在缺陷处、应力集中的局部区域会出现微孔,而且这些微孔会不断形成长大,同时相邻的区域内也有新的微孔形成长大。逐渐长大的微孔相遇连接合并,形成细微的裂纹,在产生裂纹的部位发生新的应力集中。在这一过程中,由于温度较高,晶界具有粘滞性,原子的活动能力相对比较高。微孔也处于热激活状态,加载中微孔不断地发生相互吞并和聚合,从而微孔的数量增多,体积增大。

当应力超过材料的屈服强度时,310S耐热不锈钢发生塑性变形。在应力作用下,夹杂物、析出相周围发生位错堆积,析出物粒子大大地阻碍了位错的运动,而在夹杂物周围和金属的界面上进一步产生大量的微孔。位错源不断地产生新的位错,滑移面上的位错不断被推向微孔,导致微孔迅速扩展长大。高温状态下,晶界以及析出物对位错的阻碍作用降低,位错在滑移面上的运动速度加快。微孔的扩展速度加快,吞并长大形成较大的微孔。相对而言,Al4C3颗粒热稳定性没有Cr7C3好(一般情况下,Al4C3颗粒在1400℃时还是稳定的)。在高温变形过程中,Al4C3颗粒对位错的阻碍作用远大于Cr7C3颗粒对位错的阻碍作用。

合金的塑性随Al含量的增加先增加后降低,与未含Al的310S相比,质量分数为2%的310S合金的高温塑性有所提高。由于其合金基体组织中碳化物(Cr7C3颗粒)的尺寸相对于未含Al的合金有所增大,而粗大的析出相利于合金的形变。当Al的质量分数增加到4%时,虽然碳化物的尺寸进一步增大,但合金中Al4C3的含量增加,微细的析出相强化了奥氏体基体,影响了钢的动态再结晶,沿晶界分布的微细析出相产生应力集中,引起沿晶断裂。含Al的310S耐热不锈钢的伸长率不是随着Al含量的增大而增大的,而是在Al的质量分数为2%时达到了最大值。

4结论

(1)相对于不含Al的310S耐热不锈钢,Al的质量分数为2%者其高温强度基本不变而伸长率有所提高。

(2)Al的质量分数为4%的310S合金的高温强度显著提高,塑性有所降低。