具有TRIP效应的19Cr经济型双相不锈钢成分设计、性能及相变机理研究

发布时间：2018-01-17 03:31

  本文关键词：具有TRIP效应的19Cr经济型双相不锈钢成分设计、性能及相变机理研究　出处：《上海大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：双相不锈钢是由铁素体(a)和奥氏体(g)两相组成的,同时兼具奥氏体不锈钢优良的韧性和可焊接性以及铁素体不锈钢的高强度和耐应力腐蚀的性能,目前被广泛地应用于海洋、原浆、石油化工、造纸和能源等行业。近年来由于镍和钼等原材料价格剧烈波动和钢铁生产环保压力地加大,近无镍无钼同时具有更佳力学性能的经济型双相不锈钢正在成为发展先进钢铁结构材料的重要研究方向。本文尝试使用低成本的锰和氮元素来代替铬和镍元素,研究开发具有相变增塑效应的Fe-Cr-Mn-N系经济型19Cr双相不锈钢薄板材料。本论文从合金元素对双相不锈钢性能的影响着手,采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱分析(RS)和Thermo-Calc热力学平衡相图计算等技术,研究了Mn、N和Si元素对于19Cr双相不锈钢组织、室温力学和高温氧化性能的影响以及室温拉伸变形机制,优化出最佳合金成分,并在此基础上研究了冷热加工、时效处理以及回火处理后合金组织与性能的变化。主要结论如下:1)自主设计的19Cr-x Mn-0.3Ni-0.2N(x=5.5~15),19Cr-10Mn-0.3Ni-yN(y=0.2~0.3)和19Cr-5.5Mn-0.3Ni-zSi-0.2N(z=0.5~2.5)经济型双相不锈钢在1100℃固溶处理后基体组织均由铁素体-奥氏体两相组成。随着材料中锰含量的增加,铁素体含量逐渐降低,室温抗拉强度逐渐降低,断裂延伸率呈现先增加后降低的趋势。锰含量为10 wt.%的双相不锈钢室温拉伸过程中奥氏体发生相变诱发塑性效应,抗拉强度约800 MPa,断裂延伸率超过65%。在1100℃空气条件下等温氧化过程中,随着锰含量的提高,基体与氧化膜之间诱导产生铁素体过渡层的厚度逐渐增加,较高锰含量的双相不锈钢氧化过程中会形成连续且致密的Cr_2O_3氧化膜,材料的抗氧化性能逐渐提高。在锰含量为10 wt.%双相不锈钢高温氧化过程中,由于锰元素向外扩散量的增加,使得其铁素体过渡层上的破损区域随着氧化时间延长发生自修复。双相不锈钢室温抗拉强度和断裂延伸率均会随着氮含量的增加而提高。不同氮含量的双相不锈钢在1100℃空气条件下氧化过程中,氧化增重满足抛物线规律。随着氮含量的增加,材料耐氧化性能逐渐降低。在氮含量较高的双相不锈钢氧化过程中,由于氮元素向外扩散量的增加,高温氧化行为优先在铁素体过渡层的破损区域发生,并且随着氧化时间的延长,氧化向基体中的奥氏体相区域内发展。然而,在连续铁素体过渡层上方的氧化膜内层仍然会形成连续致密的cr2o3氧化膜,保持良好的耐氧化性。随着硅含量的提高,铁素体含量逐渐升高,室温抗拉强度逐渐降低,断裂延伸率呈现先增加后降低的趋势。硅含量为1.5wt.%的双相不锈钢表现出最佳的塑性,断裂延伸率达到约52%。较高硅含量的双相不锈钢在1100℃空气条件下等温氧化过程中,氧化膜内层会形成致密的cr2o3和sio2氧化膜,材料耐氧化性能提高。综合力学性能最好的双相不锈钢在室温拉伸过程中铁素体相以位错的滑移为变形机制;奥氏体遵循g→e-马氏体→a'-马氏体的转变过程发生了相变诱发马氏体转变,提高了双相不锈钢的塑性。e-马氏体与奥氏体基体满足s-n关系,a'-马氏体与奥氏体基体满足k-s和n-w关系。根据材料综合的室温力学性能及高温抗氧化性能,优化出的双相不锈钢典型成分为00cr19mn10ni0.3n0.25。2)固溶处理后的00cr19mn10ni0.3n0.25双相不锈钢冷轧过程中,铁素体相以位错的滑移为变形机制。奥氏体组织演变过程随着轧制变形量的增加表现为分阶段变形特点:当轧制变形量小于50%时,奥氏体相中发生位错滑移。位错在孪晶界处缠结,造成应力集中;当冷轧变形量超过50%时,奥氏体向马氏体转变,变形奥氏体相的硬化效果要优于铁素体相,同时材料耐氯离子点蚀性能随着冷轧变形量的增加而逐渐降低。固溶态样品极化后,点蚀坑优先在铁素体相内和铁素体/奥氏体相界处产生。轧制后的材料在变形奥氏体区域会出现额外的点蚀坑。00cr19mn10ni0.3n0.25双相不锈钢室温拉伸过程中表现出明显的对应变速率的敏感效应。随着拉伸应变速率的提高,诱导产生马氏体含量逐渐降低,相变诱发塑性效应进行不充分,抗拉强度和断裂延伸率均会下降。拉伸断裂时微裂纹优先在铁素体/奥氏体相界处萌生。3)固溶态双相不锈钢在750℃时效过程中s相析出,抗拉强度逐渐提高,耐氯离子点腐蚀性能逐渐降低;475℃时效过程中,铁素体相发生调幅分解,铁素体晶粒内部析出块状富铬a'cr相,同时在铁素体/铁素体和铁素体/奥氏体晶界处析出Cr23C6碳化物。晶内和晶界处析出物的存在降低了材料的室温韧性和耐氯离子点蚀性能;350℃时效处理对于固溶态双相不锈钢的影响不大,时效处理样品的室温力学及耐氯离子点蚀性能均和固溶态样品相当。4)预变形量80%的冷轧态00Cr19Mn10N i0.3N0.25双相不锈钢在500~850℃回火过程中,轧制变形诱发的马氏体在短时间内就完成了向奥氏体的逆转变。850℃回火处理30 min可以获得晶粒尺寸为2~4mm的细小等轴晶组织,材料室温拉伸过程中表现出良好的强韧性搭配:抗拉强度接近1000 MPa,断裂延伸率接近60%。上述大量实验研究结果表明,该种具有相变增塑效应的Fe-Cr-Mn-N系经济型19Cr双相不锈钢成分建议如下:C≤0.03 wt.%,Cr:18.0~20.0 wt.%,Mn:9.0~11.0 wt.%,N i:0.2~0.4 wt.%,N:0.15~0.30 wt.%,Si≤1.0 wt.%,B:80 ppm,稀土Ce或者Y:0.005~0.20 wt.%,其余部分为铁。
[Abstract]:In recent years , the effect of Mn , N and Si on the properties of duplex stainless steel with phase change is studied by means of transmission electron microscope ( TEM ) , scanning electron microscope ( SEM ) , X - ray diffraction ( XRD ) , Raman spectroscopy ( RS ) and thermodynamic equilibrium phase diagram . The transformation process of austenite following g 鈫，

本文编号：1436145