李 寧， 楊功斌， 金艷陽(yáng)

（沈陽(yáng)科金特種材料有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110101）

304奧氏體不銹鋼是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最常見、最廣泛的不銹鋼，通常由鉻和鎳配合而成，也是最常見的，其為18-8型不銹鋼鋼種之一[1-3]。這類鋼具有良好的耐腐蝕性，由于為面心結(jié)構(gòu)材料，故其具備良好的室溫及低溫韌性、塑性，沒有冷脆傾向，具有微弱的磁性，且冷加工硬化能力也很高。由于奧氏體比鐵素體再結(jié)晶溫度高，所以這類鋼可以作為在350℃以上工作的熱強(qiáng)鋼材料，因此，0Cr19Ni9鋼被廣泛應(yīng)用于閥門類等壓力容器類產(chǎn)品制造所需的原材料[4，5]。

0Cr19Ni9鋼在室溫下的平衡組織是由α鐵素體加奧氏體組成，由于在固溶狀態(tài)下其耐蝕性和高溫力學(xué)性能較好等優(yōu)點(diǎn)，故該材料固溶狀態(tài)的應(yīng)用范圍特別廣泛[6-8]。0Cr19Ni9鋼的高溫性能的好壞直接制約著該材料的使用范疇，本文主要研討影響0Cr19Ni9鋼固溶效果的主要因素以及如何提升0Cr19Ni9材質(zhì)的350℃高溫力學(xué)性能，增強(qiáng)材料的使用性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用坯料選用真空感應(yīng)爐熔煉成的規(guī)格為200 mm×200 mm×300 mm鋼錠，三種坯料的化學(xué)成分如表1所示，其中各坯料的w（C）分別為0.014%，0.047%和0.078%，其他元素化學(xué)成分差異不大。坯料經(jīng)750 kg鍛錘開坯成100 mm×100 mm×1 200 mm長(zhǎng)方坯料，然后統(tǒng)一采用1 050℃×3 h熱處理后水冷的固溶冷卻方式。固溶處理后的試樣分別加工成12.5 mm×120 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓形拉伸試樣和晶間腐蝕試樣，在CMT4000型萬(wàn)能試驗(yàn)拉伸機(jī)中進(jìn)行350℃高溫力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)，按照GB/T4334.5中的規(guī)定對(duì)晶間腐蝕試樣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，采用OLYMPUS GX51型光學(xué)金相顯微鏡觀察金相，采用ZEISS EOV18型SEM觀察彎曲試樣的斷口和能譜分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 0Cr19Ni9不銹鋼的化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 C元素含量對(duì)高溫拉伸性能的影響

下頁(yè)表2為不同C元素含量的0Cr19Ni9不銹鋼在固溶熱處理后，鋼錠A、B、C的試樣所檢測(cè)的力學(xué)高溫拉伸性能結(jié)果。通過(guò)表2可以看出，當(dāng)鋼錠的C元素含量不同時(shí)，材料在350℃高溫表現(xiàn)出了不同的力學(xué)性能，其高溫性能隨著C元素含量的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，造成這種性能的差異主要是因?yàn)?Cr19Ni9不銹鋼材料在固溶時(shí)，C元素原子半徑小，故而C元素以間隙固溶體的方式形成晶格畸變，造成位錯(cuò)密度增加，起到固溶強(qiáng)化作用。由于0Cr19Ni9奧氏體鋼為面心晶格材料，其固溶體溶解度比較大，所以C元素能大量的溶解到固溶體內(nèi)，C元素的溶解使得晶格畸變時(shí)產(chǎn)生了應(yīng)力場(chǎng)，與位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)相互影響，讓合金組元的很多其他原子聚集在位錯(cuò)周圍形成強(qiáng)化的“氣團(tuán)”，起到了針扎晶界遷移的作用，當(dāng)進(jìn)行力學(xué)高溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣內(nèi)部微觀的位錯(cuò)滑移難度加大，使試樣的切變應(yīng)力加大，造成了試樣宏觀上的強(qiáng)度的提升，因而使得我們看到的0Cr19Ni9不銹鋼材料的350℃高溫性能隨著C元素的增加而表現(xiàn)出力學(xué)性能不斷提升。

表2 不同C含量的0Cr19Ni9不銹鋼的高溫性能（350℃）

2.2 C含量對(duì)晶間腐蝕的影響

將不同C含量固溶熱處理后的0Cr19Ni9試樣按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行彎曲，試樣彎曲后的晶間腐蝕檢測(cè)結(jié)果如表3所示。通過(guò)表3可以看出，當(dāng)鋼錠的C元素含量不同時(shí)，材料在晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)w（C）增加到0.078%時(shí)，C試樣的晶間腐蝕試樣出現(xiàn)開裂。根據(jù)鋼錠C的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取了開裂部位進(jìn)行微觀組織觀察。

表3 不同C元素的0Cr19Ni9不銹鋼的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1中500倍光學(xué)顯微鏡金相形貌，圖中的金相微觀組織為奧氏體組織，其中該圖片觀察的組織圖中，在晶界和晶內(nèi)處存在一些不同形態(tài)的碳化物。

圖1 鋼錠C晶間腐蝕斷裂部位的組織觀察

結(jié)合圖1所示的微觀組織圖片，我們發(fā)現(xiàn)，隨著化學(xué)元素C元素的增加，引發(fā)的成分偏析愈發(fā)明顯，在C元素濃度大的區(qū)域，當(dāng)C元素局部無(wú)法全部固溶于固溶體時(shí)，未被固溶的C元素由于原子半徑較小，故而游離固溶體，由于C原子本身的親和力強(qiáng)，它結(jié)合附近的Cr元素，形成富含大量C、Cr等元素組成的碳化物，其主要碳化物為M23C6，這些碳化物主要在晶界和晶內(nèi)析出和沉淀，這樣引起了附近區(qū)域Cr元素的降低，由于Cr元素?cái)U(kuò)散速度緩慢，造成了Cr元素的局部富集，進(jìn)而使得固溶基體出現(xiàn)貧鉻區(qū)和富鉻區(qū)，這種化學(xué)成分的不均勻，造成了貧鉻區(qū)和富鉻區(qū)之間的電極電位差加大[9]，導(dǎo)致了同一金屬材料在微觀上不同區(qū)域間出現(xiàn)了不同的電極電位，使該鋼在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生微電池作用，進(jìn)而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，這極大的降低了材料抗晶間腐蝕的能力，非常不利于材料的晶間腐蝕。0Cr19Ni9材料晶界和晶內(nèi)析出的M23C6碳化物除了產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，促使0Cr19Ni9鋼的耐蝕性進(jìn)一步下降之外，該碳化物大量的析出也破壞了材料基體的連續(xù)性和穩(wěn)定性，當(dāng)受到外界施加的應(yīng)力時(shí)，基體0Cr19Ni9不銹鋼材料內(nèi)部各個(gè)部位出現(xiàn)了不同的變形抗力行為，其力學(xué)性能表現(xiàn)出不一致塑性性能，進(jìn)而在承受抗力較弱的部位優(yōu)先出現(xiàn)微裂紋，即材料的局部斷裂破壞，這也是鋼錠C晶間腐蝕試樣斷裂主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

0Cr19Ni9不銹鋼中，隨著合金元素C元素含量的增加，0Cr19Ni9材料的350℃高溫力學(xué)拉伸性能逐漸增加，當(dāng)w（C）為0.078%時(shí)，Rp0.2和Rm分別增長(zhǎng)到163 MPa和419 MPa。隨著C含量的增加，含碳量較高的試樣在晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)微裂紋，造成這種腐蝕的主要原因是的M23C6碳化物產(chǎn)生。因此，采用增加0Cr19Ni9不銹鋼材料C元素含量可以提高材料的350℃高溫力學(xué)性能，但同時(shí)要合理控制的C含量范圍，避免產(chǎn)生M23C6碳化物，進(jìn)而避免材料的耐蝕性下降，使得材料的使用功能不發(fā)生較大改變。

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