409L鐵素體不銹鋼的高溫拉伸行為和形變組織研究

譚 威，季根順，張建斌（蘭州理工大學 材料科學與工程學院，蘭州 730050）

409L鐵素體不銹鋼的高溫拉伸行為和形變組織研究

譚 威，季根順，張建斌（蘭州理工大學 材料科學與工程學院，蘭州 730050）

利用金相顯微鏡、X射線衍射儀、EPMA、拉伸試驗機研究鑄態409L鐵素體不銹鋼在高溫下的力學性能和變形組織特征。結果表明，隨著溫度的升高，409L不銹鋼的強度在300～800℃迅速下降，800～1150℃下降變緩；伸長率在1000℃時達到最大，為131.44%；斷面收縮率在800℃時最大，為97.71%。409L不銹鋼的再結晶溫度在950℃左右。通過XRD鑒定表明，409L不銹鋼中主要組成物相為鐵素體、Fe-Cr系合金和游離Cr元素。EPMA結果顯示，409L不銹鋼中含有的黑色點狀第二相顆粒主要是Ti（C、N），此種粒子可提高鋼鐵材料的綜合性能。

430不銹鋼；高溫力學性能；鐵素體不銹鋼，金相分析

自不銹鋼開發以來，奧氏體不銹鋼一直占據主導地位，研究較多，而對鐵素體不銹鋼的研究最近幾年才引起重視。鐵素體不銹鋼相對奧氏體不銹鋼，具有成本低、導熱系數高、線膨脹系數小等優點[1]。由于鎳資源緊缺，亞洲國家不銹鋼市場需求旺盛，倫敦金屬交易所（LME）鎳價格上升，不銹鋼價格也隨之大漲。我國鎳資源遠遠滿足不了不銹鋼行業的需求，較大部分需要進口[2]。在鎳金屬嚴重緊缺的情況下，低鎳或無鎳的鐵素體不銹鋼開始得到了國內外重視，并在實際中得到廣泛應用。

本文研究的409L是一種不含Ni的單Ti穩定化鐵素體不銹鋼。通過高溫拉伸試驗，測定不同溫度下的抗拉強度、伸長率、斷面收縮率，并利用光學金相顯微鏡、EPMA、XRD等手段，對409L不銹鋼的金相組織進行研究，為指導制定其連鑄生產工藝參數，提供重要的基礎數據。

1 試驗材料及試驗方法

試驗用材料為鑄態409L鐵素體不銹鋼，牌號為00Cr12Ti，其主要成分見表1。在距離連鑄坯表面1/4處晶粒的大小適中，有利于對鑄坯組織與力學性能的研究，本次試驗試樣均從鑄坯厚度方向1/4處取樣。試樣規格為 ?10mm×120mm×M18，按照國標 GB/T 4338－2006進行機加工和高溫拉伸試驗，如圖1所示。

表1 409L的化學成分（質量分數，%）

試驗使用島津AG-10TA程控萬能材料試驗機，對409L不銹鋼進行高溫拉伸試驗，測定不同溫度下的抗拉強度、伸長率、斷面收縮率。將拉伸試樣在實驗結束后立即取出水冷，沿拉伸方向將試樣切開，經打磨、拋光后使用化學腐蝕法使其顯示金相組織（腐蝕液為HF∶H2O2=1∶4），使用 XJP-200 型倒置金相顯微鏡對微觀組織進行觀察。利用EPMA-1600電子探針對鑄態409L不銹鋼中出現的黑點進行線掃描，分析其主要成分；根據偏光顯微金相照片對鋼中第二相的分布進行觀察分析；通過XRD對409L進行物相鑒定。

2 試驗結果與分析

2.1 熱塑性曲線

409L不銹鋼熱塑性曲線如圖2所示。其中Rm代表抗拉強度，A代表伸長率，Z代表斷面收縮率。抗拉強度是鑄坯抵抗均勻塑性變形的最大應力，是衡量鑄坯是否產生裂紋的判據。由抗拉強度隨溫度的變化曲線可知，變形溫度在300～800℃范圍內，抗拉強度呈線性迅速降低，在300℃時為308.4MPa，而800℃時只有為18.3MPa；而變形溫度在800～1150℃范圍內，抗拉強度下降趨勢變得平緩，在900℃時為9.35MPa，1150℃時為1.89MPa。表明在高溫下鑄坯受力容易超過其高溫強度極限而發生非均勻塑性變形，產生裂紋缺陷。

伸長率是材料在拉伸斷裂后，總伸長與原始標距長度的百分比，是衡量材料塑性好壞的指標之一。由伸長率隨溫度變化的曲線可知：試樣在300～600℃伸長率的變化不是很大，在500℃時伸長率僅為 34.2%；在 600～1000℃，隨溫度的升高伸長率迅速上升，1000℃時伸長率達到最大值131.44%；在1000～1150℃范圍內伸長率又呈現明顯的下降趨勢，在1150℃拉伸時，試樣的伸長率只有46.08%。

斷面收縮率是連鑄坯試樣在熱拉伸斷裂后，斷口最大縮小面積與原面面積的百分比，反映了鑄坯在連鑄高溫過程中的韌性能力。斷面收縮率的值越大，說明鑄坯抵抗外力作用而不產生裂紋的可能性越大。由409L不銹鋼斷面收縮率隨溫度變化的曲線可知：試樣在300～500℃范圍內斷面收縮率呈上升趨勢，300℃時斷面收縮率為 57.65%，500℃時為 80.75%；500～800℃范圍內斷面收縮率緩慢升高，800℃時斷面收縮率達到最大值97.71%；加熱溫度在800～1150℃范圍內試樣斷面收縮率呈緩慢下降趨勢，1150℃時為91.96%。

大量研究和實際經驗發現[3，4]，當斷面收縮率大于60%時，鑄坯不出現裂紋；當斷面收縮率小于60%時，鑄坯裂紋敏感性增高。故一般以收縮率等于60%作為臨界值來劃分高塑性區和低塑性區的溫度范圍，可見409L不銹鋼在高溫下一直具有較好的塑性。結合409L不銹鋼的斷面收縮率，得到900～1050℃范圍內為最佳塑性區。

2.2 金相組織分析

如圖3所示，409L不銹鋼在950℃左右發生再結晶，隨著溫度的升高，晶粒逐漸長大，溫度到1100℃時晶粒明顯粗化。從熱力學角度看，再結晶后得到的細小晶粒在長大過程中，總的晶界面積減少，能量降低是一個自發過程，若繼續延長加熱時間或提高加熱溫度，將會引起晶粒進一步長大[5]。

取樣觀察部位為拉伸方向，在950℃左右，試樣發生再結晶，而試樣斷口處由于受力更為復雜，將導致橫截面金相更早到達再結晶溫度。再結晶是熱變形中發生的一種軟化過程，這與圖1抗拉強度在800℃后下降平緩、趨于穩定相符。另外，大量實驗觀察表明，多晶體屈服強度與晶粒尺寸之間符合下列Hall-Petch關系式[6]：σs=σi+kd-1/2

式中σi、k為材料有關的常數；d為晶粒尺寸。可見細化晶粒是同時提高強度而又不損傷韌性的有效強化方法，在制定加熱工藝時應盡量減小晶粒尺寸。

2.3 第二相粒子分析

圖4中黑色部分為鐵素體組織，白色的第二相粒子在鐵素體中均勻的分布，說明第二相粒子不是偏析產物。我們利用X射線衍射儀（XRD）對409L不銹鋼進行物相鑒定，結果表明試樣中有鐵素體、Fe-Cr系合金和游離Cr元素（如圖5）。

如圖5所示，從衍射結果上分析，409L不銹鋼中只有單相的鐵素體，這和我們從金相照片中看到的結果相同。利用掃描電子探針（EPMA）對409L中出現的黑點進行線掃描，結果如圖6。從EPMA掃描結果中可以看出，黑點的主要成分是C、N、Ti、Cr，應為Ti（C、N）或者TiC。此種第二相顆粒屬于不可變形微粒，它的強化作用是通過其對位錯運動的阻礙作用而表現出來。當這種第二相粒子與運動位錯相遇時，將使位錯線繞著它發生彎曲。隨著外加應力的增大，位錯線受阻部分的彎曲加劇，以致圍繞著粒子的位錯線在左右兩邊相遇，于是正負位錯彼此抵消，形成包圍著粒子的位錯環留下，而位錯線的其余部分則越過粒子繼續移動。顯然位錯按這種方式移動時受到的阻力是很大的，而且每個留下的位錯環要作用于位錯源形成反向應力，故繼續變形時必須增大應力以克服此反向應力，使流變應力迅速提高。

3 結論

（1）409L不銹鋼的強度在300～800℃迅速下降，800～1150℃下降變緩。

（2）409L不銹鋼的伸長率，在1000℃時達到最大，為131.44%。斷面收縮率在800℃時最大，為97.71%，900～1050℃范圍內為最佳塑性區。

（3）409L不銹鋼經過XRD物相鑒定，表明試樣中有鐵素體、Fe-Cr系合金和游離Cr元素。

（4）409L中的黑點為第二相顆粒，主要是Ti（C、N），該粒子可有效阻礙位錯運動，從而提高鋼鐵材料的綜合性能。

[1]楊瑞成，孟威，舒俊，等.鐵素體不銹鋼熱軋板材的拉伸行為和斷裂特征[J].蘭州理工大學學報，2008，34（6）:25-29.

[2]余存燁.節鎳不銹鋼的開發與展望[J].化工設備與管道，2008，45（2）:4-8.

[3]Suzuki H G，Nishimura S，Yamaguchi S.Characteristics of Embrittlement in Steels above 600℃[J].Tetsu-to-Hagane，1979，65（14）:2038.

[4]Suzuki H G，Nishimura S，Imamura J.Hot Ductility in theTemperature Range between 900 and 600℃[J].Tetsu-to-Hagane，1981，67（8）:1180.

[5]劉宗昌.材料組織結構轉變原理[M].北京:冶金工業出版，2006：31-35.

[6]毛衛民，朱景川，酈劍，等.金屬材料結構與性能[M].北京:清華大學出版社，2008：179-183.

Heat Tensile Behavior and Fracture Characteristics of 409L Ferritic Stainless Steel

TAN Wei，JI GenShun，ZHANG JiaBin
（College of Materials Science and Engineering Lanzhou Univ.of Tech,Lanzhou 730050,Gansu China）

The mechanics properties and microstructure of as-cast 409L ferrite stainless steel at high temperature have been investigated by means of metallographic microscope,XRD,EPMA,draw testing machine respectively.The results showed that the tensile strength of 409L stainless steel decreased rapidly with rising of temperature at 300~800℃,this decreasing slowed down at 800～1150℃；elongation up to 131.44%the maximum value at 1000℃；the reduction ratio of area up to 97.71%the maximum at 800℃.The recrystallization temperature of 409L was about 950℃.It was showed that ferrite,Fe-Cr alloys and the free Cr were the main phase in 409L stainless steel by XRD.EPMA results showed that Ti（C、N）were major component in the particles of black punctuate secondary phases of 409L stainless steel,and the particles can improve overall performance of ferrous material.

430 stainless steel；High temperature mechanics properties；Ferritic stainless steel；Metallographic analysis

TG142.23;

A；

1006－9658（2011）03－3

2010－12－31

2010－193

譚威（1981-），男，在讀碩士研究生，從事不銹鋼高溫組織性能研究