高氮奧氏體不銹鋼的力學行為和組織穩(wěn)定性.pdf

1、足夠量的氮引入奧氏體不銹鋼可使其獲得非常優(yōu)異的性能，能滿足高強、高韌、高耐蝕以及無磁等性能的工程應用要求，彌補傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼在這些方面的不足。同時，與傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼相比，由于以Mn和N取代了價格昂貴的Ni元素，使得這種奧氏體不銹鋼（以下稱為高氮奧氏體不銹鋼）的原材料成本比較低廉。因此，高氮奧氏體不銹鋼的研究與開發(fā)受到各國的普遍重視。然而，由于氮在不銹鋼中的作用機理十分復雜，國際上在這方面的研究尚存在諸多不清楚的問題。另外，關于高氮奧

2、氏體不銹鋼在不同變形條件下的力學行為、組織演變和形變誘導馬氏體相變等的相關報道較少，而關于低溫退火熱處理對冷變形高氮奧氏體不銹鋼力學性能和顯微組織影響方面的研究更是尚未見到報道。因此，對高氮奧氏體不銹鋼進行基礎性研究，為其實際應用提供理論參考，促進其向高性能、低成本、易加工方向發(fā)展，具有非常重要的意義。
　　在上述背景下，本文以兩種高氮奧氏體不銹鋼Fe-18Cr-12Mn-0.55N和Fe-18Cr-18Mn-0.63N為研究對象

3、，通過沖擊實驗、拉伸實驗、顯微硬度、光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡和X射線衍射等測試手段及技術，系統(tǒng)地研究了這種資源節(jié)約型高氮奧氏體不銹鋼在室溫壓縮變形過程中的組織演變，并對實驗鋼的形變誘導馬氏體相變現象進行了分析;結合實驗鋼室溫冷變形行為研究結果，進一步考察了其在低溫下的力學行為和組織穩(wěn)定性，討論了其低溫脆性斷裂機理;研究了應變速率對實驗鋼塑性流變行為的影響，探討了Ludwigson方程在不同應變速率水平描述實驗鋼塑性流變行為的適用性

4、;考察了退火溫度和退火時間對冷軋態(tài)實驗鋼中低溫退火后力學性能和顯微組織的影響，討論了實驗鋼的強化機制。獲得的主要實驗結論如下:
　　1.Fe-Cr-Mn系高氮奧氏體不銹鋼的冷壓縮變形組織在低應變水平以平面位錯和層錯為主，在高應變水平以高密度孿晶和位錯為主。Fe-18Cr-12Mn-0.55N鋼在冷壓縮變形過程中有很少量形變誘導馬氏體形成。馬氏體轉變過程為γ→ε→α'，ε→α'轉變的臨界應變在20％～30％之間。Fe-18Cr-18

5、Mn-0.63N鋼中Mn和N含量更高，強烈提高了奧氏體的穩(wěn)定性，在冷壓縮變形過程中沒有馬氏體形成。
　　2.由于Fe-18Cr-12Mn-0.55N鋼的奧氏體晶格中固溶了大量的N原子，因而形變誘導產生的α'馬氏體的晶格發(fā)生膨脹，晶格常數增大為a=0.314nm，較鐵基α'馬氏體的晶格常數增大約9.6％。在本文實驗鋼的氮含量范圍內，固溶氮含量的增加增大Fe-Cr-Mn系高氮奧氏體不銹鋼的層錯能。
　　3.在低溫下，實驗鋼呈現明

6、顯的韌脆轉變現象，加工硬化能力和層錯能隨溫度的降低而降低是Fe-Cr-Mn高氮奧氏體不銹鋼在低溫下發(fā)生脆斷的主要原因。在實驗材料的Mn含量水平內，提高Mn含量能夠改善高氮奧氏體不銹鋼的低溫塑性和韌性，降低其韌脆轉變溫度。
　　4.低溫沖擊實驗結果表明，實驗鋼Fe-18Cr-12Mn-0.55N和Fe-18Cr-18Mn-0.63N的低溫穩(wěn)定性良好。Fe-18Cr-12Mn-0.55N鋼低溫拉伸變形時會發(fā)生形變誘導馬氏體相變，但馬氏

7、體轉變量很少，降低溫度對馬氏體轉變量沒有明顯影響。形變誘導馬氏體提高Fe-Cr-Mn高氮奧氏體不銹鋼的加工硬化能力，但降低其低溫塑性和韌性。
　　5.應變速率對實驗鋼屈服強度和延伸率的影響較大，對抗拉強度和斷面收縮率影響不明顯。隨著應變速率的升高，實驗鋼的屈服強度明顯升高，延伸率顯著降低，抗拉強度和斷面收縮率則只略有降低，實驗鋼的加工硬化能力降低。
　　6.應變速率顯著影響實驗鋼的塑性流變行為，隨著應變速率的升高，Ludwi

8、gson塑性流變方程中各參數值均減小。n2減小表明由位錯亞結構等產生的長程作用力在高應變水平下起作用，而瞬變應變εL的減小表明應變速率的增大能夠促進位錯多系滑移和交滑移。二者分別很好地表征了實驗鋼在高應變水平和低應變水平下的塑性流變行為。
　　7.實驗鋼在100℃～200℃溫度范圍內退火時，強度隨退火溫度的升高而增大。進一步提高退火溫度，強度和硬度基本趨于穩(wěn)定，變化不明顯。在550℃～650℃溫度范圍內退火后明顯軟化。退火孿晶的形

9、成是實驗鋼在200℃～550℃溫度范圍內退火后獲得高強度和高硬度的主要原因。實驗鋼在550℃進行不同時間退火時，退火初期較之冷軋態(tài)得到明顯強化，隨著退火的進行其強度和硬度逐漸穩(wěn)定在一定水平，塑性有所降低。
　　8.實驗鋼在低溫退火時，點缺陷被激活并向位錯和晶界等高能量區(qū)域運動，氣團和析出物開始形成;在200℃～550℃溫度范圍內退火時，位錯通過直接湮滅和孿生的方式消失，并有極少量小尺寸水平析出物形成;高于550℃退火時，析出物尺寸