S30432鋼高溫屈服強度波動現象的研究

王崢，王苗苗，崔正強

(上海發電設備成套設計研究院，上海　200240)

材料技術

S30432鋼高溫屈服強度波動現象的研究

王崢，王苗苗，崔正強

(上海發電設備成套設計研究院，上海200240)

對不同廠家的S30432鋼管進行了高溫拉伸性能研究，并對拉斷后試樣的顯微組織進行分析研究。結果表明:在600～700℃，S30432鋼的屈服強度出現波動，高溫抗拉強度隨著溫度的升高呈降低趨勢。微觀組織分析發現，在700℃拉伸試驗時，S30432鋼中析出了較多彌散分布的強化相，阻礙了位錯的運動，是S30432鋼在700℃時的屈服強度略高于650℃的原因。

S30432鋼;高溫屈服強度;析出相;位錯

S30432鋼管是在ASTM S213 TP304H鋼管的基礎上，通過降低Mn含量上限，加入3%左右的Cu、0.45%左右的Nb和一定量的N，使該鋼在服役時產生微細彌散、沉淀于奧氏體內的富銅相。該富銅相與NbC(N)、NbCrN和M23C6等其他析出物一起產生極佳的強化作用，從而開發得到的一種綜合性能優良的新型18-8奧氏體不銹鋼。目前該鋼已被列入ASME CODE CASE 2328-1標準;我國也將該鋼納入GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準，名稱為10Cr18Ni9NbCu3BN［1］。

近年來，我國在S30432鋼管的國產化研制工作上投入巨大，有多家企業、高校和研究院所都相繼開展了科研攻關工作，并取得了相當不錯的成果。上海發電設備成套設計研究院在進行S30432鋼管系列高溫拉伸試驗過程中，多次發現700℃時的屈服強度略高于650℃的現象，筆者試圖采用OM、SEM、TEM等對拉斷后試樣的顯微組織結構進行分析研究，對這一現象進行解釋。

1　高溫拉伸性能

1.1試驗材料

試驗選用的S30432鋼管分別為進口管、國內1號廠家a鋼管、國內1號廠家b鋼管(a、b為國內1號廠家不同批號材料)以及國內2號廠家鋼管。

1.2高溫拉伸試驗

高溫拉伸試驗按照GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》標準進行。沿S30432鋼管的縱向取圓柱形或瓦片狀試樣，在SHT5106電液伺服萬能材料試驗機上進行，將爐溫控制在設定溫度的±3 K。表1為各批號S30432鋼管600～700℃的高溫拉伸試驗結果。從表1可以看出，700℃下的屈服強度略高于650℃，而抗拉強度則呈下降趨勢。

表1　各批號S30432鋼管的高溫拉伸試驗數據MPa

1.3不同試驗加載速率對試驗結果的影響

為探究不同試驗加載速率對試驗結果的影響，對國內1號廠家a鋼管進行了不同試驗加載速率的高溫拉伸試驗。速率1:在整個彈性范圍內，試樣應力速率保持在10 MPa/s，測定抗拉強度時，采用位移速率為2.5 mm/min進行試驗。速率2:在整個彈性范圍內，試樣應力速率保持在30 MPa/s，測定抗拉強度時，采用位移速率為7.5 mm/min進行試驗。試驗結果見表2。

表2　a鋼管高溫拉伸試驗數據

由表2可知:改變試驗加載速率后，700℃的屈服強度仍然略高于650℃，抗拉強度則還是低于650℃。圖1為國內1號廠家a鋼管在不同溫度下試驗力-位移曲線圖。

不同試驗速率下，圖形沒有太大的差別。考慮到不同試驗機所用軟件不同的影響，在不同試驗機上做試驗，出現結果相同。由圖1可以看出:S30432鋼在600℃和650℃的拉伸曲線在屈服點過后都出現了鋸齒狀，至700℃，此現象消失。有研究認為:鋸齒是高溫變形中的加工硬化引起的［2］。

2　顯微組織結構分析

高溫拉伸試驗后的顯微組織結構分析試樣取自距離斷口5～10 mm處(非頸縮處)。

通過OM和SEM對國內1號廠家a鋼管高溫拉伸試驗(試驗加載速率為速率1)后的試樣進行觀察發現:S30432鋼管試驗后的金相組織為原奧氏體組織+滑移帶/孿晶+彌散相。由于高溫下受到應力的影響，奧氏體晶界之間有相對較小的滑動，產生了被拉開的跡象。隨著試驗溫度的升高，試樣組織中析出物的數量不斷增加;700℃拉伸試樣的晶界已經有較多析出相(見圖2)。

TEM明場像觀察結果表明:S30432鋼在600～700℃下拉伸斷裂后，在奧氏體晶內產生大量的滑移帶/孿晶，這些滑移帶/孿晶一般都沒有貫穿整個晶粒;不同狀態斷裂樣品晶界和晶內都有大量的位錯，并且在奧氏體晶界都有位錯塞積的現象，晶內有細小析出相阻礙位錯運動的現象; 700℃試樣與600℃的相比，600℃斷裂樣品中的位錯雖有彎曲現象，但大部分位錯較平直;700℃斷裂樣品中大部分位錯較彎曲，部分位錯甚至出現打圈的現象(見圖3)。顯微組織中的析出相主要為Cr23C6和少量的NbC(N)。Cr23C6主要沿奧氏體晶界分布，NbC(N)則主要分布在奧氏體晶內。

3　分析討論

S30432鋼管在高溫拉伸后，晶界和晶內都有大量的位錯，并且在奧氏體晶界有位錯塞積的現象，晶內有細小析出相阻礙位錯運動的現象; 600℃斷裂樣品中位錯雖有彎曲的現象，但大部分位錯較直，這可能是由于析出相太過細小，釘扎位錯效果不是十分明顯。而700℃斷裂樣品中大部分位錯較彎曲，有些甚至出現了打圈現象，這表明在700℃時，晶內析出相釘扎位錯效果強烈。正是由于晶內析出相釘扎位錯的效應增加，以致出現700℃下S30432鋼屈服強度略高于650℃時的現象。超過屈服點后，晶間變形開始逐步顯現，晶內析出相強化機制逐漸趨弱，隨著高溫拉伸試驗溫度的上升，S30432鋼的抗拉強度呈現下降趨勢。

4　結語

通過對不同廠家和批次試樣的高溫拉伸性能和試樣的顯微組織結構分析，發現S30432鋼700℃進行拉伸試驗時，晶內析出相略多，析出相釘扎位錯效果強烈，導致S30432鋼700℃時的屈服強度略高于650℃，高溫屈服強度產生了波動。

［1］楊華春.日本S30432奧氏體不銹鋼鍋爐管評價［J］.東方鍋爐，2003(2):13-24.

［2］張冬宇.軋制過程中鋼的奧氏體變形與再結晶［J］.金屬世界，2007，9(3):39-42.

Study on High-temperature Yield Strength Fluctuation of the S30432 Steel

Wang Zheng，Wang Miaomiao，Cui Zhengqiang
(Shanghai Power Equipment Research Institute，Shanghai 200240，China)

High-temperature tensile tests were conducted toS30432steel tubes made bydifferent manufacturers，while the microstructures of corresponding tensile fracture surfaces were analyzed.Results show that the yield strength of S30432 steel fluctuates in the temperature range of 600-700℃，and its high-temperature tensile strength increases with the rise of temperature.Through microstructure analysis，the reason why the yield strength of S30432 steel at 700℃is slightly higher than at 650℃is found to be caused by much dispersion strengthening phases precipitated at 700℃，which inhibit the movement of dislocations.

S30432 steel;high-temperature yield strength;precipitated phase;dislocation

TG142.71

A

1671-086X(2016)01-0028-03

2015-04-22

王崢(1982—)，女，工程師，主要從事材料及試驗技術研究。

E-mail:wangzheng@speri.com.cn