應變強化奧氏體不銹鋼的低溫沖擊韌性

陳 勇，陸戴丁，孔韋海

（合肥通用機械研究院，國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽省壓力容器與管道安全技術重點實驗室，合肥 230031）

0 引 言

近年來，采用奧氏體不銹鋼應變強化技術制造壓力容器已成為深冷容器輕量化的重要技術手段[1-4]。應變強化處理雖然提高了材料的屈服強度，但卻損耗了材料的部分塑性，研究應變強化后奧氏體不銹鋼低溫力學性能的變化規律是確定應變強化工藝參數的重要基礎。奧氏體不銹鋼在應變強化過程中可能會誘發馬氏體相變，生成的馬氏體屬于硬脆相，會對奧氏體不銹鋼的組織和力學性能產生影響[5-8]。奧氏體不銹鋼中的奧氏體在深冷環境中具有一定的熱誘發馬氏體相變傾向[9-10]，也可能會產生一定量的馬氏體。由于深冷試驗條件苛刻，目前對于經過室溫應變強化處理的奧氏體不銹鋼在深冷環境（不高于-196℃）中韌性的研究報道較少。為此，作者研究了室溫下應變強化處理對S30408和S31603兩種奧氏體不銹鋼沖擊韌性的影響，為奧氏體不銹鋼進行了不同應變量的應變強化處理，研究了應變強化對其深冷低溫容器的設計制造、安全運行提供數據支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選擇某廠熱軋生產的S31603（板厚12 mm）和S30408（板厚16 mm）奧氏體不銹鋼鋼板，它們的化學成分及力學性能如表1，2所示。考慮成品分析允許偏差，各元素含量以及力學性能指標符合GB/T 24511—2009[11]標準要求。

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用WE-30型試驗機在室溫下進行拉伸試驗（應變強化處理），加載速度為2 mm·min-1，應變量分別為0，2.5%，5%，7.5%，10%，20%，拉伸試樣的尺寸為12 mm×12 mm×100 mm。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Composition analysis of experimental steels(mass) %

表2 試驗鋼的室溫力學性能Tab.2 Mechanical properties of experimental steels at ambient temperature

拉伸（應變強化處理）后，在試樣標距中心位置切取10 mm長矩形試塊，手工打磨拋光后采用質量分數10%草酸溶液進行電解腐蝕，然后采用XJG-05型光學顯微鏡觀察顯微組織。低溫處理方法為將試樣浸泡在液氮及液氦中2 h，使試樣降溫到77 K和4.2 K，取出后重復上述打磨拋光腐蝕過程，進行顯微組織觀察。

按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》加工標準沖擊試樣（尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口，深2 mm），沖擊試驗在ZBC2452N-4型擺錘式沖擊試驗機上進行，試驗溫度范圍為室溫～-269℃（300～4.2 K），每個溫度取3個試樣進行測試。采用SRDK-408S型GM制冷機實現300～10 K低溫，溫度測控儀由LakeshoreDT670傳感器和Lakeshore336控溫儀組成，并以一定的過冷溫度補償來保證試驗溫度。采用持續噴淋液氦的方法使試樣溫度降至-269℃（4.2 K）并保溫15 min后進行沖擊試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 應變量對室溫沖擊韌性的影響

由圖1～2可知，S30408鋼和S31603鋼的室溫沖擊吸收能隨著應變量的增大而逐漸降低。當應變量從0增大至20%時，S30408鋼和S31603鋼的沖擊吸收能平均值分別由286 J和312 J降至140 J和180 J。

圖1 不同應變量強化后S30408鋼的室溫沖擊吸收能Fig.1 Impact absorbed energy of S30408 steel after strengthening with different strain degrees at room temperature

圖2 不同應變量強化后S31603鋼的室溫沖擊吸收能Fig.2 Impact absorbed energy of S31603 steel after strengthening with different strain degrees at room temperature

由圖3，4可見，兩種鋼的原始態組織均主要為奧氏體相，應變強化后（以應變量20%為例）部分奧氏體相發生馬氏體相變，并產生了一定量的馬氏體，顯微組織為馬氏體相與奧氏體相混合組織；且應變量越大，馬氏體含量越多（相應的圖略）。

圖3 S30408鋼室溫應變強化處理前后的顯微組織Fig.3 Microstructure of S30408 steel before(a) and after(b) strain strengthening

圖4 S31603鋼室溫應變強化處理前后的顯微組織Fig.4 Microstructure of S31603 steel before(a) and after(b) strain strengthening

拉伸變形過程中材料晶格結構畸變以及部分奧氏體相發生馬氏體相變是導致奧氏體不銹鋼沖擊韌性降低的主要原因[12-14]。S30408鋼和S31603鋼經應變強化后，其晶格結構畸變嚴重，位錯密度增加；另一方面應變誘發產生的α'馬氏體相為體心立方晶格結構，其強度、硬度高，而塑性、韌性低。所以應變強化后S30408鋼和S31603鋼沖擊韌性都有所下降。

2.2 應變強化對低溫沖擊韌性的影響

對于奧氏體不銹鋼而言，溫度低于馬氏體轉變起始溫度MS后，面心立方晶格結構的奧氏體可能會發生馬氏體相變，形成一定量的熱誘發馬氏體[15]。奧氏體不銹鋼低溫沖擊韌性取決于奧氏體相及馬氏體相的體積分數，試驗溫度高于MS時，顯微組織主要為奧氏體相，試驗溫度低于MS時，部分奧氏體開始轉變為α'馬氏體相。

由圖5，6可知，應變強化前兩種鋼的沖擊吸收能均隨著試驗溫度的降低而逐漸降低，但當溫度低于-196℃（77 K）后趨于平緩，并未呈現連續下降的趨勢，而是出現“平臺”。從室溫降至-196℃（77 K），S30408鋼和S31603鋼沖擊吸收能的平均值分別由286 J和312 J降至165 J和232 J。

圖5 應變強化前S30408鋼的低溫沖擊吸收能Fig.5 Impact absorbed energy of S30408 steel before strain strengthening at low temperatures

由圖7，8可知，應變強化前S30408鋼在-196℃（77 K）液氮中低溫處理后產生了一定量的馬氏體相，但仍以奧氏體相為主；在-269℃（4.2 K）處理后的顯微組織與在77 K處理后的差別不大。應變強化前S31603鋼在低溫處理后的顯微組織與S30408鋼的類似，如圖8所示。

圖6 應變強化前S31603鋼的低溫沖擊吸收能Fig.6 Impact absorbed energy of S31603 steel before strain strengthening at low temperatures

圖7 應變強化前S30408鋼分別在77 K和4.2 K低溫處理后的顯微組織Fig.7 Microstructure of S30408 steel before strain strengthening but after cryogenic treatment:(a)77 K and(b)4.2 K

由圖9，10可知，應變強化后S30408和S31603兩種鋼的低溫沖擊韌性隨著應變量的增大而整體呈下降的趨勢，應變量達到20%時，沖擊韌性下降的幅度最大。在應變量相同條件下，S30408鋼和S31603鋼的沖擊韌性隨著溫度降低出現下降，但降幅比應變強化前小。

2.3 討 論

對于應變強化并經低溫處理的奧氏體不銹鋼而言，應變和低溫都有可能引起奧氏體相向馬氏體相轉變，生成鐵磁性體心立方結構的馬氏體相（α′）和密排六方結構的馬氏體相（ε）的混合體。馬氏體轉變受鋼的化學成分、溫度、應變速率、應變量等因素的影響，并且形變誘發與熱誘發馬氏體相變傾向之間也有一定影響[9]。合金元素對奧氏體組織特征參數、微觀組織及相變驅動力有著重要影響，直接決定奧氏體不銹鋼相變和力學性能的變化規律，其中碳、氮、鉻和鎳對奧氏體組織穩定性的影響最大。根據試驗鋼化學成分檢測值計算出鎳當量、馬氏體轉變起始溫度Ms及層錯能γSF[16-19]見表3。

圖8 應變強化前S31603鋼分別在77 K和4.2 K低溫處理后的顯微組織Fig.8 Microstructure of S31603 steel before strain strengthening but after cryogenic treatment:(a)77 K and(b)4.2 K

圖9 不同應變量強化后S30408鋼的低溫沖擊吸收能Fig.9 Impact absorbed energy of S30408 steel after strain strengthening with different strain degrees at low temperatures

圖10 不同應變量強化后S31603鋼的低溫沖擊吸收能Fig.10 Impact absorbed energy of S31603 steel after strain strengthening with different strain degrees at low temperatures

表3 試驗鋼的相關指標Tab.3 Relative indexes of experimental steels

由表3可見，S31603和S30408兩種奧氏體不銹鋼在溫度分別低于-88.3，-86.417℃后開始有馬氏體相變發生。理論上看，隨著溫度降低，馬氏體相變連續進行，馬氏體相含量相應增多。但低溫沖擊試驗結果顯示，應變強化后奧氏體不銹鋼在溫度低于-196℃（77 K）時，其沖擊韌性出現“平臺”。推測其原因是應變后奧氏體相強化導致Ms降低，溫度誘發馬氏體相變阻力增大；另一方面奧氏體相穩定性較好，連續降溫形成的馬氏體相總量并未大幅增加，材料中仍以低溫韌性好的奧氏體相為主。

通常用沖擊吸收能或側膨脹量來衡量奧氏體不銹鋼的低溫韌性，如EN 13445-4—2009中一些牌號鋼規定沖擊吸收能不小于40 J[20]；ASME鍋爐與壓力容器第VIII篇中規定設計溫度不低于-196℃時（檢驗溫度不高于設計溫度）要求側膨脹量不小于0.38 mm[21]；我國標準GB 150—2011規定奧氏體不銹鋼焊縫金屬的沖擊吸收能不小于31 J[22]。在歐盟低溫壓力容器標準EN 13458-2—2002[23]附錄C中關于應變強化技術應用的幾種奧氏體不銹鋼的沖擊韌性要求為沖擊吸收能不小于40 J。在實際工程應用中，奧氏體不銹鋼進行應變強化工藝試驗時塑性應變為8%～10%，產品強化后塑性應變通常小于6%。對于試驗中經過20%應變強化處理的S30408鋼和S31603鋼而言，在-269℃（4.2 K）的沖擊吸收能分別達到75 J和100 J，表明所使用的兩種不銹鋼材料經過較大應變量強化處理后，低溫下仍然具有較好韌性。

3 結 論

(1)應變強化S30408和S31603奧氏體不銹鋼的沖擊韌性隨著應變量增大而逐漸降低；應變強化后兩種鋼沖擊韌性隨著試驗溫度降低而逐漸降低，當溫度低于-196℃（77 K）后沖擊吸收量趨于平緩，呈現出“平臺”。

(2)S30408和S31603奧氏體不銹鋼經過較大應變量強化處理后仍有較好低溫韌性，能夠滿足奧氏體不銹鋼應變強化技術標準規范中低溫沖擊韌性指標要求。

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