熱處理和冷作硬化對不銹鋼力學性能的影響

程華旸　趙艷麗　鄧話　呂亮亮　李云　張林　張坤

【摘 要】本文研究了不同的熱處理溫度和冷作硬化加工率對304和316奧氏體不銹鋼力學性能的影響，為奧氏體不銹鋼的生產提供指導。結果表明：AISI304管材選用加熱900℃保溫60min熱處理和8.3%冷作硬化加工率，AISI316管材選用加熱1050℃保溫10min熱處理和12.5%冷作硬化加工率時，制造的奧氏體不銹鋼管拉伸力學性能與國外進口管材拉伸力學性能基本一致。

【關鍵詞】熱處理;冷作硬化;奧氏體不銹鋼;力學性能

中圖分類號： TM30 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.002

0 概述

奧氏體不銹鋼具有足夠的強度和韌性以及優異的耐腐蝕和抗輻照損傷性能，使得其具有非常廣泛的應用。本文就最常見的AISI304和AISI316兩種不銹鋼為例，探討熱處理和冷作硬化加工率對力學性能的影響，并與進口不銹鋼力學性能進行對比，進而選取出合適的工藝參數范圍用來制造生產。

AISI304（0Cr18Ni9）是奧氏體型耐酸不銹鋼，用量最大、應用最廣，產量占不銹鋼總量的30%以上，可以通過冷變形方式提高強度，具有良好的加工能力和低溫性能、無磁性、耐酸堿及蒸汽腐蝕。AISI304型不銹鋼廣泛應用在深沖成型部件及儲存耐腐蝕容器、結構件、無磁及低溫設備中。AISI316（0Cr17Ni12Mo2）是超低碳型奧氏體不銹鋼，無磁、具有良好的塑韌性和冷成型性能、強度優良、耐還原性酸的能力遠優于AISI304、耐晶間腐蝕性能良好。廣泛應用在合成纖維、紡織、石油、原子能工業用設備。AISI304和AISI316不銹鋼化學成分見表1[1]。

1 制造工藝

奧氏體不銹鋼管制造工藝流程如圖1。

其中的熱處理和冷作硬化是生產中關鍵的步驟，對產品的性能起至關重要的作用，熱處理是指將合金加熱到高溫單相區恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，得到過飽和固溶體的熱處理工藝。便于時效時重新析出顆粒細小，分布均勻的碳化物和γ相，同時消除加工產生的應力，使合金發生再結晶，獲得適宜的晶粒度，保證合金的強度和塑韌性。冷作硬化是指金屬材料在常溫下加工產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒產生剪切、滑移、晶粒被拉長，金屬在冷態塑性變形中，冷作硬化會使金屬的硬度提高、屈服點和伸長率降低。本文就不同熱處理溫度和冷作硬化加工率工藝進行研究，以選取合適的工藝參數范圍。

2 試驗過程

本文就AISI316和AISI304不銹鋼進行了不同熱處理溫度和冷作硬化加工率對力學性能的影響，具體試驗過程如下。

2.1 晶粒尺寸對拉伸性能影響

AISI316奧氏體不銹鋼，施加相同的冷作硬化加工變形，分別加熱到1050℃、950℃、850℃熱處理后保溫10min，然后以相同冷速冷卻下來，金相組織和晶粒度評級結果見圖2。鋼管的室溫力學性能測試結果和延伸率見圖3和圖4，A50mm代表標距為50mm時的延伸率。

鋼管加熱后，管材的金相組織均勻，晶界無明顯碳化物分布。加熱溫度由高到低，晶粒尺寸減小，鋼管的室溫抗拉強度及屈服強度均有一定程度的增大，但鋼管延伸率A50mm減小。根據細晶強化理論，金屬的晶粒越細，常溫下的強度和塑韌性越好，但本實驗中的延伸率呈現減小趨勢，可見在冷作硬化和溫度的綜合作用下，奧氏體不銹鋼中冷作硬化效果明顯大于細晶強化。為保證管材拉伸性能，特別是延伸率A50mm滿足要求，管材成品前的熱處理晶粒尺寸不宜過小，冷作硬化加工率不應太大。根據前期生產經驗初步確定AISI316熱處理工藝為加熱1000℃保溫10min和加熱1050℃保溫10min。當溫度恒定時，保溫時間越長，晶粒尺寸也會長大，初步選定AISI304奧氏體不銹鋼的熱處理工藝為加熱900℃保溫60min和加熱1040℃保溫10min。

2.2 冷作硬化加工率對拉伸性能的影響

（1）AISI304管材

將進口的AISI304管材與國產化研究的管材進行拉伸力學性能的對比，不同熱處理溫度和冷作硬化加工率對AISI304管材拉伸性能和延伸率的影響分別見圖5和圖6。冷作硬化加工率的選取是按照相關生產經驗。其中A50mm代表標距在50mm時的延伸率，a代表的熱處理工藝是加熱到900℃，保溫60min，室溫測量晶粒度為8.5級;b代表的熱處理工藝是加熱到1040℃，保溫10min，室溫測量晶粒度為5.5級～6.0級，c代表的國外進口材料，進口材料c的A50mm延伸率最小為44%，晶粒度為6.5級。

AISI304管材加熱900℃保溫60min熱處理和加熱1040℃保溫10min熱處理，并經過不同的冷作硬化加工率試驗后，與進口材料的拉伸力學性能進行對比，發現經過加熱900℃保溫60min熱處理的管材，其抗拉強度和屈服強度性能優于進口材料c，同時考慮延伸率的要求，在冷作硬化加工率為8.3%時，a工藝管材和進口管材延伸率差值最小。

（2）AISI316管材

將進口的AISI316管材與國產化研究的管材進行拉伸力學性能的對比，不同熱處理溫度和冷作硬化加工率對AISI316管材拉伸性能和延伸率的影響分別見圖7和圖8。冷作硬化加工率的選取是按照相關生產經驗。其中A50mm代表標距在50mm時的延伸率，d代表的熱處理工藝是加熱到1000℃，保溫10min，室溫測量的晶粒度為8.0級;e代表的熱處理工藝是加熱到1050℃，保溫10min，室溫測量的晶粒度為6.5級～7.0級，f代表的國外進口材料，進口材料f的A50mm延伸率最小為26%，晶粒度為7.5級。

AISI316管材經加熱1000℃保溫10min熱處理和加熱1050℃保溫10min熱處理，并經過不同的冷作硬化加工率試驗后，與進口材料f的拉伸力學性能進行對比，發現選用加熱1050℃保溫10min熱處理，冷作硬化加工率為12.5%時，其抗拉強度和屈服強度及延伸率性能均優于進口材料f。

3 結論

（1）熱處理中加熱溫度高，保溫時間長，會導致奧氏體不銹鋼晶粒長大，造成奧氏體不銹鋼的抗拉強度和屈服強度降低，塑韌性也會降低。

（2）冷作硬化加工帶來的加工硬化現象，導致奧氏體不銹鋼的延伸率下降。

（3）綜合考慮熱處理和冷作硬化加工的作用，奧氏體不銹鋼中冷作硬化效果明顯大于細晶強化，因此為保證管材拉伸性能，特別是延伸率A50mm滿足要求，奧氏體不銹鋼在制造過程中加熱溫度不宜過低，冷作硬化加工率不宜過大。

（4）AISI304管材選用加熱900℃保溫60min，8.3%冷作硬化加工率，AISI316管材選用加熱1050℃保溫10min熱處理和12.5%冷作硬化加工率時，制造的奧氏體不銹鋼管其拉伸力學性能與國外進口管材拉伸力學性能基本一致。

【參考文獻】

[1]機械工程材料性能數據手冊編委會.機械工程材料性能手冊.北京：機械工業出版社，1994.415～436，633～642.