含鈮316不銹鋼晶界特征分布優(yōu)化工藝的探索

供稿|王坤，陳文覺 / WANG Kun, CHEN Wen-jue

含鈮316不銹鋼晶界特征分布優(yōu)化工藝的探索

The Optimization Process of Grain Boundary Character Distribution in 316 Austenitic Stainless Steel Including Nb

供稿|王坤1，陳文覺2/ WANG Kun, CHEN Wen-jue

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

晶界工程[1]可以提高鎳基合金[2]、銅[3]、鉛基合金[4]、奧氏體不銹鋼[5]等低層錯能面心立方金屬材料與晶界相關(guān)的性能[6]，由于316 SS層錯能低，容易產(chǎn)生退火孿晶，通過晶界工程可以有效提高316 SS的低ΣCSL晶界比例，這種低ΣCSL晶界比例的提高，可使材料的晶界特征分布得到優(yōu)化，從而改善其抗晶間腐蝕能力，因此近年來很多研究者為提高不銹鋼中低ΣCSL晶界比例做了大量工作[7-9]：

（1）單道次形變熱處理。有兩種工藝：一種是經(jīng)過小變形量（3%～8%）的冷變形，在略高于再結(jié)晶溫度以上進行退火，退火時間很長，有的達到幾十個小時[10]；另一種通過小變形量的冷變形，然后在再結(jié)晶溫度以上較高的溫度下進行短時間的退火，一般是幾十分鐘[11]。

（2）多道次形變熱處理[12]。通常材料經(jīng)過中等量（5%～30%）的冷變形，然后在較高溫度進行再結(jié)晶退火處理，并且將這一處理工藝反復(fù)多次，來達到提高材料低ΣCSL晶界比例的目的。多次重復(fù)冷處理和退火處理雖然改善材料的腐蝕敏感性，但是大量的實驗[13]證明它在提高低ΣCSL晶界比例上效果不是很理想，同時也增加了晶界工程的成本。

本文就是通過晶界工程，分別采用了低溫長時間的再結(jié)晶退火工藝和高溫短時間的再結(jié)晶退火工藝來探索提高含鈮316 SS中低ΣCSL晶界比例的工藝。

試驗方法

實驗用厚度為2 mm熱軋316不銹鋼板，化學(xué)成分如表1所示。

表1 316不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）

熱軋鋼板分割成2 mm×7 mm×80 mm的樣品，進行真空固溶處理，真空度為4×10-3Pa，溫度1100℃，保溫30 min后水淬至室溫。

本文中樣品的退火處理均在真空條件下進行，退火工藝主要包括：

a.將固溶樣品進行5%冷變形然后在967℃進行72 h的退火保溫處理。

實驗結(jié)果與討論

低溫長時間再結(jié)晶退火工藝

固溶樣品經(jīng)過5%冷變形，在967℃保溫72 h的再結(jié)晶退火處理，EBSD測試結(jié)果如下：Σ1晶界比例為9.4 %，Σ3晶界比例為56%，Σ9+Σ27晶界比例為6%，總的低ΣCSL晶界比例為71.9%（固溶樣品中總的低ΣCSL晶界比例為66.7%）。如圖1所示，其彩色OIM圖中得到一般大角晶界的密度比較大，Σ3晶界的長度較短，并且Σ9晶界較多，Σ3-Σ3-Σ9特殊三叉晶界節(jié)點的數(shù)量較多，但是總的低ΣCSL晶界比例較低。

圖1 冷變形5%，967℃退火72 h后試樣的OIM圖

退火樣品金相顯微組織，如圖2（a）所示，從圖中可以看出，有彌散分布的未溶解化合物，如金相組織中分布的黑點，這些化合物沿原始熱軋方向分布的比較密集，如圖中黑線條狀分布。經(jīng)能譜分析這些主要是含鈮的化合物,如圖2（b）所示。金相組織中還可以看到大量筆直的孿晶界，但是這些晶界的長短參差不齊，在一些較大的晶粒內(nèi)部幾乎沒有孿晶界的存在，這與圖1樣品的OIM圖較一致?？梢?，低溫長時間的再結(jié)晶退火處理工藝不能優(yōu)化加入了Nb元素的316 SS的GBCD。

圖2 冷變形5%，967℃退火72 h樣品的金相組織

高溫短時間的再結(jié)晶退火處理

冷變形量的確定

本課題組曾研究過變形量對316 SS中低ΣCSL晶界比例的影響，研究結(jié)果顯示5%是比較理想的變形量。

再結(jié)晶316 SS樣品中各種晶界比例隨退火前不同冷軋變形量變化曲線，如圖3所示。從圖中可知，經(jīng)過5%冷軋，在1100℃退火40 min后的樣品的低ΣCSL晶界比例最高，Σ3晶界比例達到了65.3%，總的低ΣCSL晶界比例達到80%。隨著冷軋量的增加，低ΣCSL晶界比例和Σ3晶界比例都在下降，并且它們的變化趨勢很接近。在冷變形量小于30%的時候，隨冷軋壓下量的增加，總的低ΣCSL晶界比例和Σ3晶界比例下降幅度都很大：總的ΣCSL晶界比例從80%下降到31.8%；Σ3晶界比例從65.3%下降到24.3%。當(dāng)變形量大于30%后它們的變化幅度很小，幾乎趨向定值。Σ9+Σ27晶界比例的變化趨勢同Σ3晶界，總體上也是隨著冷軋壓下量增加而下降。當(dāng)冷軋量達到35%后Σ9和Σ27晶界比例之和基本保持不變，大約2%左右。Σ1晶界的比例很低，變化幅度也很小，而Σ1晶界隨著冷軋壓下量的增加先有小幅度的降低，然后又隨冷軋壓下量的增加有上升的趨勢?？梢娮冃瘟吭酱笤讲焕?16 SS中低ΣCSL晶界比例的提高。

圖3 不同冷軋變形量樣品中各種晶界隨冷變形量的變化曲線

再結(jié)晶退火溫度的選擇

將固溶樣品，經(jīng)過5%的冷變形，在1050℃和1100℃兩個溫度下進行30 min的再結(jié)晶退火，并經(jīng)EBSD測試，比較結(jié)果，如圖4所示（Brandon標(biāo)準(zhǔn)）。從圖中可知，在1050℃溫度下Σ≤29的晶界比例為73%，其中Σ1為8%，Σ3為54 %，Σ9+Σ27為6%，其它低Σ晶界比例為4.5%。在1100℃溫度下退火時Σ≤29的晶界比例為80%，其中Σ1為3.2%，Σ3為64%，Σ9+Σ27為4.2%，其它低Σ晶界比例為7%。在1100℃下優(yōu)化效果明顯好一些，又考慮到退火溫度與固溶溫度的一致性，于是選用1100℃作為退火溫度。

圖4 冷變形5%試樣分別在1050℃、1100℃退火30 min后晶界比例

再結(jié)晶退火時間的確定

冷變形5%，1100℃退火不同時間樣品晶界比例的變化趨勢如圖5所示，可看出，退火5 min樣品Σ3晶界比例為46%，退火10 min樣品Σ3晶界比例上升到57.6%，退火20 min樣品Σ3晶界比例提高到60%以上，在退火40 min其比例達到65%，退火50 min Σ3晶界比例下降到56%，Σ3晶界比例占總的低ΣCSL晶界比例的80%左右。可見Σ3晶界對GBCD優(yōu)化貢獻最大，在退火時間小于40 min內(nèi)，Σ3晶界比例隨著退火時間的延長逐漸上升。Σ9和Σ27比例只占總的低ΣCSL晶界比例的10%左右，隨退火時間的延長變化幅度不大，變化趨勢與Σ3晶界比例變化趨勢基本相同。Σ1晶界（亞晶界）比例隨著退火時間的延長先下降后上升，退火時間從5 min到10 min ，其比例大幅度下降，在退火30 min后，Σ1晶界比例又有小幅度的上升。

冷變形5%，1100℃退火40 min試樣的彩色OIM圖，如圖6所示。EBSD測試結(jié)果顯示：Σ1晶界比例為6.0 %，Σ3晶界比例為65.3%，Σ9+Σ27晶界比例為8.3%，總的低ΣCSL晶界比例為80%。與圖1相比，一般大角晶界的密度明顯減小，Σ3晶界的長度變大，數(shù)量增多，Σ9晶界較多，Σ3-Σ3-Σ9特殊三叉晶界節(jié)點的數(shù)量較多，總的低ΣCSL晶界比例有大幅度提高。

結(jié)束語

高溫短時間的再結(jié)晶退火工藝能明顯優(yōu)化316 SS的晶界特征分布。

圖5 隨退火時間的變化各種類型晶界的變化趨勢

研究了再結(jié)晶退火溫度，退火時間和冷變形量對316 SS低ΣCSL晶界比例的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小變形量后高溫短時間的退火可以優(yōu)化316 SS晶界特征分布：在冷變形5%的316 SS經(jīng)40 min再結(jié)晶退火后低ΣCSL晶界比例達到80%。

圖6 冷變形5%，1100℃退火40 min后試樣的OIM圖

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應(yīng)用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（Electron BackScatter Diffraction, EBSD）研 究 了 316 SS（Stainless Steel, SS）晶 界 特 征 分 布（grain boundary character distribution, GBCD）的優(yōu)化工藝；低溫長時間和高溫短時間的退火工藝（退火溫度，退火時間和冷變形量）對316 SS低ΣCSL晶界比例的影響。冷變形5%的固溶316 SS經(jīng)40 min再結(jié)晶退火后低ΣCSL晶界比例達到80%，其中Σ3晶界比例占80%，退火時間大于40 min后低ΣCSL晶界比例下降。

1.煙臺南山學(xué)院，山東 煙臺 265713；2.上海大學(xué)材料研究所，上海 200072

b.將材料進行不同程度的退火前冷變形，冷軋 量 分 別 為5%、10%、20%、30%、35%、50%、80%，再在1100℃再結(jié)晶退火40 min后水淬。

c.將固溶樣品，在退火前進行5%的冷變形，分別在1050℃和1100℃下進行了30 min的再結(jié)晶退火處理。

d.將固溶態(tài)樣品進行5%冷變形，然后1100℃進行不同時間（5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min）的再結(jié)晶退火處理，然后水淬。

所有退火樣品的表面處理均采用電解拋光。采配有EBSD 的Hitachi－S570掃描電鏡進行EBSD測試，掃描步長為3 μm，并用OIM軟件進行統(tǒng)計不同類型晶界的比例。

王坤（1981—），女，漢族，籍貫河北保定市，煙臺南山學(xué)院教師，主要從事金屬材料晶界工程的研究。