不同熱處理條件下高氮奧氏體不銹鋼冷軋組織與力學性能研究①

孫會蘭，畢子墨，張 迪，朱立光，王 波

（河北科技大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊050018）

高氮奧氏體不銹鋼與普通奧氏體不銹鋼相比，具有韌性好、強度高、耐蝕性好等優點，并且在眾多應用領域能代替傳統的富鎳奧氏體不銹鋼，是一種極具發展潛力的新型鋼鐵材料［1－2］，因此越來越成為研究熱點。高氮奧氏體不銹鋼的這些優異性能主要取決于其固溶的氮［3－6］。氮可以代替奧氏體不銹鋼中的貴重金屬鎳［7－8］，目前德國、日本大都采用以氮代替鎳，不僅節約了鎳資源，而且降低了生產成本，因此高氮鋼具有廣闊的發展前景［9］，廣泛應用于醫療、海洋等領域［10－11］。高氮奧氏體不銹鋼作為結構用鋼，對其力學性能提出了較高要求，因此對高氮奧氏體不銹鋼力學性能的研究具有深遠意義［12］。

目前，已有大量學者對高氮鋼的微觀組織及力學性能進行了研究［13－17］，發現不同階段的熱處理工藝對高氮奧氏體不銹鋼力學性能的影響表現出較大的差異，在冷軋高氮鋼前后進行不同熱處理的相關研究甚少，本文對軋制前不同溫度退火處理及軋制后不同保溫時間的高氮不銹鋼進行金相組織觀察，并對軋制后的高氮鋼進行力學性能拉伸測試，研究了冷軋高氮鋼不同熱處理工藝下的顯微組織與力學性能，為高氮奧氏體不銹鋼的開發利用提供依據。

1 實 驗

1．1 實驗材料

本文使用的高氮奧氏體不銹鋼板尺寸（長×寬×高）為400 mm×90 mm×4 mm，其化學成分如表1所示。

表1 高氮鋼化學成分（質量分數）%

1．2 高氮奧氏體不銹鋼冷軋樣品制備

1）對原始鋼板進行線切割，得到若干長×寬×高為50 mm×20 mm×4 mm的長方形鋼板。

2）取3塊鋼板，其中2塊分別在850℃、1 150℃保溫30 min進行熱處理，另一塊作為參照，不進行熱處理。3個樣品的金相組織分別見圖1。

圖1 原始態、不同溫度退火后鋼板金相組織照片

3）將熱處理后的鋼板進行機械磨光和硫酸酸洗處理，去除試樣表面污物。

4）在室溫下利用實驗室多功能軋機對經過不同熱處理的高氮不銹鋼鋼板進行多道次軋制，每道次壓下量為0．2 mm，最終冷軋板厚度為0．95 mm。

5）取3塊冷軋態高氮鋼板，分別進行0、1、3 min的1 050℃保溫處理（到溫后放入爐內，到時后取出，空冷），得到冷軋后保溫態樣品。

1．3 高氮鋼拉伸試樣制備

拉伸試樣尺寸為10．0 mm×2．0 mm×0．95 mm，如圖2所示。

圖2 拉伸試樣示意

為保證數據可靠性，從同一塊坯料中用線切割機切取拉伸試樣，實驗溫度為室溫，試樣拉伸方向均為軋制方向。

2 實驗結果及討論

2．1 冷軋后高氮鋼顯微組織

圖3為冷軋后未保溫處理的鋼材冷軋態顯微組織。從圖3可知，冷軋前未熱處理的鋼材樣品組織主要為鐵素體相；隨冷軋前退火溫度升高，鐵素體相逐漸減少，開始出現晶粒細小的奧氏體相，晶界處有少量層片狀析出相。

圖3 冷軋態樣品顯微組織

圖4為鋼材冷軋后1 050℃保溫1 min樣品的顯微組織。對比圖3與圖4可知，經過1 050℃保溫1 min后，各樣品的鐵素體相明顯變少，奧氏體相占主導，晶粒長大，孿晶增多。隨著冷軋前退火溫度升高，相區間隙數量變少，但相區間隙變寬；晶粒內暗區增多，析出相開始向晶粒內部生長，數量增多。

圖4 冷軋后1 050℃保溫1 min樣品顯微組織

圖5為鋼材冷軋后1 050℃保溫3 min樣品的顯微組織。對比圖3～5可知，隨保溫時間增長，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大，析出相數量進一步增加。晶粒細化可以提高鋼材強度，所以不宜保溫時間過長。

圖5 冷軋后1 050℃保溫3 min樣品顯微組織

2．2 拉伸實驗及斷口形貌分析

各試樣抗拉強度值如圖6所示。由圖6可以看出，在這3組對比實驗中，無論在冷軋前是否經過退火處理，冷軋后未保溫處理的高氮鋼試樣抗拉強度遠遠大于冷軋后經過保溫處理的試樣，這主要是因為冷軋樣品受外力發生塑性變形，加工硬化提高了試樣抗拉強度。隨著軋制后保溫時間增加，晶粒尺寸長大，晶界變少，位錯阻力減小，抗拉強度降低。冷軋前經過退火處理、冷軋后經保溫處理的高氮鋼試樣抗拉強度值都呈降低趨勢，其中軋前850℃退火、軋后1 050℃保溫3 min試樣抗拉強度最低，為1 100 MPa。

圖6 試樣抗拉強度

不同條件下所得試樣延伸率如圖7所示。由圖7可以看出，冷軋前經過退火試樣與軋制前未退火試樣相比，延伸率顯著提升，這是因為冷軋前未經過退火處理的試樣組織不均勻，而冷軋前經過退火處理后組織得到均勻化。隨著軋制前退火溫度提高，試樣延伸率呈現升高趨勢。冷軋后對試樣進行短時間保溫，可以提高試樣延伸率，其中軋制前1 150℃退火、軋制后1 050℃保溫1 min的樣品延伸率最高，約為60%。

圖7 試樣延伸率

不同條件下所得試樣的斷口SEM形貌如圖8所示。從圖8看出，軋制后未保溫處理的試樣斷口存在大量碳化物，斷口韌窩較少，表現為延伸率較低；而軋制前退火處理、軋制后保溫處理的試樣斷口碳化物明顯減少，拉伸斷口韌窩較多，表現為延伸性能較好。

圖8 各試樣斷口形貌

3 結 論

1）退火溫度及時間對高氮鋼晶粒分布有較大影響，軋制前退火溫度升高，冷軋態樣品中鐵素體相減少，奧氏體相增加，晶粒間隙變大，且有析出相生成。

2）無論在冷軋前是否經過退火處理，冷軋后未保溫處理的高氮鋼試樣的抗拉強度遠遠大于冷軋后保溫處理的試樣，這是因為冷軋樣品受外力發生塑性變形，加工硬化提高了試樣的抗拉強度。

3）高氮奧氏體不銹鋼經過軋制前退火處理及軋制后短時間保溫處理后，具有較強的抗拉強度、較高的延伸率，軋制前1 150℃×30 min退火且軋制后1 050℃保溫1 min的高氮不銹鋼試樣在具有較高抗拉強度的同時，延伸率高達60%。