循環(huán)熱處理工藝對護(hù)環(huán)用1Mn18Cr18N 微觀組織演變和力學(xué)性能影響的研究

任濤林，王輝亭，文道維，趙鵬，侯世璞

（1.哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司a.哈爾濱大電機研究所；b.水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

0 引言

護(hù)環(huán)是汽輪發(fā)電機上的大型關(guān)鍵受力部件，目的是防止電機轉(zhuǎn)子兩端的線圈在高速旋轉(zhuǎn)過程中受到離心力的作用向外飛逸。目前，護(hù)環(huán)用材料多為無磁性奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N。原始的1Mn18Cr18N 奧氏體不銹鋼組織為單一的奧氏體，晶粒為顆粒狀，呈多邊形，具有面心立方結(jié)構(gòu)，層錯能較低，不易發(fā)生交滑移，材料中的低碳和高鉻能夠使其具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，高錳使其具有順磁性，氮的作用在于穩(wěn)定奧氏體，擴(kuò)大奧氏體在常溫下的相區(qū)，并具有無磁性，同時氮還具有固溶的作用，能夠使奧氏體晶粒發(fā)生晶格的畸變，使得材料在具有高強度的同時，具有良好的塑性、韌性、抗腐蝕性能和抗蠕變性能。1Mn18Cr18N 鋼護(hù)環(huán)的生產(chǎn)工序為：煉鋼→鑄錠→鍛造電極→電渣重熔→熱鍛制坯→機械加工→固溶熱處理→冷變形強化→消應(yīng)力處理→取樣檢測→加工交貨。固溶熱處理是使經(jīng)過加工后的1Mn18Cr18N 材料中的碳能夠溶解入奧氏體中，以提高材料的塑性、韌性。由于1Mn18Cr18N 鋼不能通過常規(guī)的熱處理工藝來提高其機械性能，因此必須通過冷變形或者溫變形的方法來提高其機械性能指標(biāo)，目前常用的變形方法有液壓脹形和爆炸成形；由于在冷脹形過程中材料會造成比較高的殘余應(yīng)力，為了穩(wěn)定護(hù)環(huán)的尺寸，又消除大部分的殘余應(yīng)力，使其呈現(xiàn)均勻的應(yīng)力分布狀態(tài)，必須實施消應(yīng)力處理［1－5］。

護(hù)環(huán)通常是通過感應(yīng)圈或火焰加熱直接熱裝配在轉(zhuǎn)子上，感應(yīng)圈加熱方式的時間較長，火焰加熱方式的時間較短而且易于操作，在實際的熱裝配過程中，火焰加熱方式經(jīng)常被采用，由于護(hù)環(huán)未能一次裝配成功，所以經(jīng)常需要對護(hù)環(huán)進(jìn)行反復(fù)的加熱和冷卻。如果加熱溫度和保溫時間的處理不當(dāng)，就會造成護(hù)環(huán)鋼本體組織和性能的變化，影響護(hù)環(huán)的使用。本文模擬實際的工況，詳細(xì)地研究了護(hù)環(huán)用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N 在300℃和350℃下經(jīng)過循環(huán)熱處理后的微觀組織、斷口形貌和力學(xué)性能的變化規(guī)律，為護(hù)環(huán)的熱裝配工藝提供可靠的理論和實驗依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試樣用材料取自德陽萬鑫電站產(chǎn)品開發(fā)有限公司提供的護(hù)環(huán)切向的中環(huán)部位，各主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過紅外碳硫儀（型號CS800）、等離子光譜儀（ICAP6300）和直讀光譜儀（型號Metal 75-80）測得，見表1。

表1 各主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

試樣的熱處理工藝為分別隨爐加熱到300℃和350℃，保溫1h，空冷，然后將此過程循環(huán)1、4、6、8 次。金相試樣需要經(jīng)過200 目、400 目砂紙粗磨和600 目砂紙細(xì)磨，再使用金剛石噴霧劑進(jìn)行機械拋光，用王水腐蝕得到，最后在金相顯微鏡（型號為奧林巴斯-PMG3）上觀察。斷口形貌由高分辨掃描電鏡（型號為日立S-300N）觀察。拉伸試驗是在萬能電子拉伸機上進(jìn)行（型號為島津AGI），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求拉伸時的溫度為100℃［6，7］。

2 試驗結(jié)果與討論

圖1 隨爐加熱到300℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8 次后的金相組織

圖2 隨爐加熱到350℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8次后的金相組織

圖3 隨爐加熱到300℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8 次后，在100℃下的拉伸試樣斷口

如圖1 和圖2 是分別將護(hù)環(huán)用奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N 試樣隨爐加熱300℃和350℃，保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8 次后的金相照片。從圖1 可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，晶粒的尺度為100μm 左右，晶粒的形狀和尺寸沒有發(fā)生明顯的變化，晶粒內(nèi)部的滑移線在逐漸減少，說明冷變形后積累的大量位錯正在發(fā)生回復(fù)，塑性變形能正在逐漸釋放，晶界周圍沒有出現(xiàn)碳化物；從圖2 可以看出，相比較300℃而言，在350℃下進(jìn)行循環(huán)熱處理后的晶粒尺寸沒有明顯的變化，但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，晶粒內(nèi)部的滑移線逐漸減少，直至循環(huán)到8 次時，晶粒內(nèi)部的滑移線大部分已經(jīng)消失，說明晶粒內(nèi)部出現(xiàn)較為完全的回復(fù)，塑性變性能得以完全的釋放，晶界處沒有出現(xiàn)碳化物。

如圖3（a）～（h）所示為將試樣隨爐加熱到300℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6 和8 次后，在100℃下進(jìn)行拉伸，使用高分辨掃描電鏡二次電子拍攝得到的試樣宏觀和微觀斷口圖。從宏觀圖3（a）、（e）、（g）、（h）可以看出（放大倍數(shù)為20×），斷口的中心部位由凹坑和微空洞組成，表面凸凹不平，斷口周圍有平齊面，斷口的中心凹陷說明在拉伸過程中經(jīng)歷了明顯的頸縮，即拉伸試樣在截面上的變形不均勻，拉伸試樣的四周部分先發(fā)生塑性變形且變形較大，中心部分變形較小且后變形，斷口四周平齊面與最大主應(yīng)力方向的夾角為30°～45°。從微觀圖3（b）、（d）、（f）、（h）可以看出（放大倍數(shù)為500×），斷口由韌窩和微小空洞組成，隨著循環(huán)熱處理的次數(shù)越多，斷口表面的韌窩在減少，微小空洞的數(shù)量和尺寸增加。由此可知，在該溫度下的斷裂機制為韌性斷裂。

圖4 隨爐加熱到350℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8 次后，在100℃下的拉伸試樣斷口

如圖4（a）～（h）所示為將試樣隨爐加熱到350℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8 次后，在100℃下進(jìn)行拉伸，使用高分辨掃描電鏡二次電子拍攝得到的試樣宏觀和微觀斷口圖。從宏觀圖4（a）、（e）、（g）、（h）可以看出（放大倍數(shù)為27×），斷口的中心部位由凹坑和微空洞組成，表面凸凹不平，斷口周圍有平齊面，斷口的中心凹陷說明在拉伸過程中經(jīng)歷了頸縮，即拉伸試樣在截面上的變形不均勻性，拉伸試樣的四周部分先發(fā)生塑性變形且變形較大，中心部分變形較小且后變形，而且頸縮的程度相對于300℃而言更大，斷口四周平齊面與最大主應(yīng)力方向的夾角為30°～45°。從微觀圖4（b），（d），（f）和（h）可以看出（放大倍數(shù)為500×），斷口由韌窩和微小空洞組成，微小空洞的數(shù)量相對于300℃明顯增多，隨著循環(huán)熱處理的次數(shù)增多，斷口表面的韌窩在減少，微小空洞的數(shù)量和尺寸增加。由此可知，在350℃下的斷裂機制為韌性斷裂。

圖5 隨爐加熱到300℃和350℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1，4，6 和8 次后的載荷位移曲線

表2 循環(huán)熱處理后的機械性能對比表

然后，對不同循環(huán)熱處理狀態(tài)下的試樣進(jìn)行高溫拉伸試驗。如圖5 所示為隨爐加熱到300℃和350℃保溫1h，空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8 次后，在100℃下進(jìn)行試驗的載荷-位移曲線。從曲線可以看出，整個拉伸過程經(jīng)歷了彈性變形階段、屈服階段、塑性變形階段、頸縮階段和斷裂階段。如表2為循環(huán)熱處理后的機械性能對比表。從表2 可以歸納出，對于300℃下進(jìn)行循環(huán)熱處理后并在100℃進(jìn)行拉伸試驗，非比例延伸強度Rp0.2和抗拉強度Rm隨著循環(huán)次數(shù)的增加而遞減（由971MPa 降低為940MPa），但是延伸率A 和斷面收縮率Z 沒有明顯的變化；對于350℃下進(jìn)行循環(huán)熱處理后并在100℃進(jìn)行拉伸試驗，非比例延伸強度Rp0.2隨著循環(huán)次數(shù)的增加而遞減（由1 038.31MPa 降低為1 017.60MPa），抗拉強度Rm隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但是延伸率A 和斷面收縮率Z 沒有明顯的變化。這是因為護(hù)環(huán)在經(jīng)過冷脹成形后，材料的內(nèi)部積累了大量的塑性變形能，位錯顯著地增多，經(jīng)過300℃和350℃下的循環(huán)熱處理后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，雖然材料的金相顯微組織沒有明顯的變化，但是材料內(nèi)的位錯和晶格空位會逐漸減少，內(nèi)應(yīng)力逐漸降低，從而強度降低而塑性增加，從圖1 和圖2 的金相照片也可以看出材料內(nèi)部的滑移線逐漸消失，即出現(xiàn)了一些回復(fù)的特征，因此一些機械性能值會降低。

3 結(jié)論

（1）隨著循環(huán)熱處理溫度的升高和次數(shù)的增加，晶粒的尺寸和形狀沒有發(fā)生明顯的變化，但是晶粒內(nèi)部經(jīng)歷了回復(fù)，滑移線在逐漸的減少；

（2）隨爐加熱到300℃和350℃保溫1h 空冷，循環(huán)熱處理1、4、6、8 次后，在100℃進(jìn)行高溫拉伸的斷口形式為韌窩和微小空洞；在一定的溫度內(nèi)，非比例延伸強度Rp0.2隨著循環(huán)次數(shù)的增加而遞減。

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