301奧氏體不銹鋼冷拔變形斷裂原因分析

陳祥鳳　馬正偉　張椰陽

(1．青島工學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東266033；2.青山鋼鐵瑞浦科技集團(tuán)有限公司特鋼研究院，浙江323900)

301奧氏體不銹鋼冷拔變形斷裂原因分析

陳祥鳳1馬正偉2張椰陽2

(1．青島工學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東266033；2.青山鋼鐵瑞浦科技集團(tuán)有限公司特鋼研究院，浙江323900)

摘要：利用金相分析、力學(xué)性能測(cè)試、顯微硬度分析、Image Pro Plus馬氏體覆蓋分析和J-Matpro性能模擬預(yù)測(cè)分析對(duì)冷拔原材料和冷拔變形后斷裂的301奧氏體不銹鋼進(jìn)行全面分析。分析結(jié)果表明: 發(fā)生斷裂的根本原因是形變誘導(dǎo)發(fā)生相變而產(chǎn)生馬氏體，馬氏體強(qiáng)度高、硬度高、塑性低，因此在冷拔變形力的作用下容易發(fā)生斷裂。經(jīng)過1 080℃保溫60 min的固溶處理后，發(fā)生相變的組織重新回復(fù)到晶粒度6.0級(jí)的奧氏體組織，同時(shí)其強(qiáng)度、硬度降低，延伸率提高。

關(guān)鍵詞：301不銹鋼；冷拔變形；斷裂；固溶處理

301不銹鋼是一種亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼，在充分固溶條件下，具有完全奧氏體組織,主要以冷加工狀態(tài)應(yīng)用于承受較高負(fù)荷、需要減輕裝備重量及不生銹的設(shè)備部件。此鋼在受外力撞擊時(shí)易產(chǎn)生加工硬化，可吸收更多的撞擊能量，對(duì)設(shè)備和人員將提供更可靠的安全保障。但在冷變形量較大時(shí)，301不銹鋼容易產(chǎn)生開裂。針對(duì)冷拔產(chǎn)生開裂的301不銹鋼進(jìn)行原因分析，通過熱處理試驗(yàn)提出了改善冷變形斷裂的優(yōu)化工藝。

1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用?5.5 mm規(guī)格的熱軋線材和經(jīng)冷拔變形加工后?2.2 mm規(guī)格的冷軋線材，其化學(xué)成分見表1。

表1　試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

取熱軋線材和冷拔變形后斷裂的冷軋線材制成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，在Axio Imager Aim型金相顯微鏡下觀察微觀組織形貌。試樣的制備、試樣研磨、試樣的浸蝕、顯微組織檢驗(yàn)、顯微照相均參照GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。分別取熱軋線材和冷軋線材在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，用HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計(jì)測(cè)量鑲嵌后的金相試樣的硬度。取冷拔變形后的線材，在SRJX箱式電加熱熱處理爐內(nèi)完成1 080℃保溫60 min的固溶試驗(yàn)，然后測(cè)其力學(xué)性能、顯微硬度，分析金相組織形貌。

圖1　夾雜物形貌(100×)

圖3　冷拔后線材組織形貌(500×)

圖2　熱軋線材組織形貌(500×)

圖4　固溶后線材組織形貌(500×)

(a) 拉拔前 (b) 拉拔后

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1金相檢驗(yàn)

材料內(nèi)部夾雜物數(shù)量少、形狀單一，如圖1所示。評(píng)定級(jí)別為C類(硅酸鹽類)0.5級(jí)。熱軋線材顯微組織形貌如圖2所示。為奧氏體組織+極少量馬氏體，奧氏體晶粒度為7.5級(jí)。

冷拔變形后線材的顯微組織形貌如圖3所示。為少量奧氏體+針狀馬氏體組織，馬氏體含量約占85%以上。線材拉拔變形后經(jīng)過1 080℃固溶處理后的顯微組織形貌，如圖4所示。為單一的奧氏體組織，晶粒度為6.0級(jí)。

利用Image Pro Plus軟件對(duì)冷拔變形前后的組織進(jìn)行馬氏體覆蓋處理。可以看出，拉拔前的馬氏體區(qū)域(白色覆蓋區(qū)域)明顯比拉拔后的馬氏體區(qū)域面積要小得多，如圖5所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，顯示表明：拉拔前馬氏體面積平均值為383.73 μm2，拉拔后由于形變促進(jìn)了馬氏體生長(zhǎng)，馬氏體面積平均值為6 238.76 μm2；拉拔前和拉拔后的長(zhǎng)寬比分別為10.57和6.69。

表2　301不銹鋼拉拔變形前后馬氏體區(qū)域參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(a)950℃ (b)1 000℃

(c)1 050℃ (d)1 100℃

試樣狀態(tài)規(guī)格/mmRm/MPaA(%)Z(%)HV0.2熱軋線材冷拔變形后線材固溶后線材?5.5?2.2?2.26151015584522356764582245.2587.9204.3

2.2模擬固溶處理

按照301不銹鋼的化學(xué)成分，在950℃、1 000℃、1 050℃和1 100℃不同固溶溫度下使用J-Matpro軟件進(jìn)行性能模擬預(yù)測(cè),如圖6所示。結(jié)果表明，隨著加熱溫度逐漸增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不大。但是當(dāng)溫度達(dá)到1 100℃時(shí)，隨著晶粒尺寸的增加，硬度指標(biāo)大幅下降。根據(jù)該鋼種的成分特點(diǎn)，實(shí)際固溶試驗(yàn)溫度選取1 080℃。

2.3力學(xué)性能及顯微硬度測(cè)試

力學(xué)性能及顯微硬度測(cè)試結(jié)果見表3。

從表3可以發(fā)現(xiàn)，材料明顯地發(fā)生了加工硬化，這與材料顯微組織中產(chǎn)生形變馬氏體吻合。冷拔變形后的線材經(jīng)過1 080℃固溶處理后，抗拉強(qiáng)度降至584 MPa，延伸率升高至56%，斷后收縮率升高至82%，顯微硬度降至204.3HV0.2。

3分析和討論

通過金相分析、力學(xué)性能分析和顯微硬度的分析，301熱軋不銹鋼線材經(jīng)過冷拔變形后產(chǎn)生了加工硬化，這是由于形變誘導(dǎo)產(chǎn)生一種亞結(jié)構(gòu)為少量位錯(cuò)的馬氏體組織，屬于α′-馬氏體。研究證明，奧氏體不銹鋼應(yīng)變硬化率源于其中的馬氏

體相變，馬氏體轉(zhuǎn)變速率越快，應(yīng)變硬化率上升得越快[1，2]。根據(jù)Olson和Cohen[3]提出的奧氏體不銹鋼應(yīng)變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)模型，馬氏體轉(zhuǎn)變量可按公式(1)計(jì)算：

式中，參數(shù)α描述剪切帶的形成過程，與層錯(cuò)能有關(guān)；β描述馬氏體在剪切帶交接處形核的可能性，與α′相變驅(qū)動(dòng)力有關(guān)。要減少形變馬氏體，根據(jù)公式(1)可以得出以下兩點(diǎn)：(1)通過減少道次變形量、降低拉拔速度和增加中間退火來降低層錯(cuò)能。(2)降低形變誘導(dǎo)產(chǎn)生馬氏體的溫度來減少α′相變驅(qū)動(dòng)力。由Md(30/50)=413-9.5(Ni)-13.7(Cr)-8.1(Mn)-9.2(Si)-18.5(Mo)-462(C+N)，得出：提高C、N的含量對(duì)于奧氏體的穩(wěn)定性有很大的作用，可以將變形過程中的馬氏體轉(zhuǎn)變推遲到較高的應(yīng)變條件下發(fā)生，延長(zhǎng)應(yīng)變硬化行為，獲得更高、更均勻的延伸率，增加相變?cè)鏊苄?yīng)[4]。

4結(jié)論

(1)導(dǎo)致301奧氏體不銹鋼冷拔變形斷裂的原因是由于形變誘導(dǎo)產(chǎn)生了馬氏體相變，形變馬氏體強(qiáng)度高、硬度高、塑性低，繼續(xù)拉拔變形時(shí)，當(dāng)所受的拉拔應(yīng)力超過了其斷裂強(qiáng)度就發(fā)生了斷裂。

(2)從煉鋼角度考慮，化學(xué)成分中C提高至0.07%以上，N提高至0.08%，考慮成本因素其它元素(尤其是Ni)保持不變，以便提高奧氏體的穩(wěn)定性。提高C、N的含量對(duì)奧氏體相和形變馬氏體相有固溶強(qiáng)化作用，N對(duì)奧氏體相的屈服強(qiáng)度作用顯著[5]，這使得冷拔變形奧氏體不銹鋼無需發(fā)生大量形變馬氏體轉(zhuǎn)變就能達(dá)到要求的高屈服強(qiáng)度，從而保證有較好的塑性，可以降低301奧氏體不銹鋼冷拔變形斷裂的幾率。

(3)拉拔冷變形過程中增加變形道次，降低道次變形量和拉拔速度，必要時(shí)增加中間固溶退火，也可以降低301奧氏體不銹鋼冷拔變形斷裂的幾率。

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編輯陳秀娟

Analysis on Fracture Cause for 301 Austenitic Stainless SteelCold Drawing Deformation

Chen Xiangfeng, Ma Zhengwei, Zhang Yeyang

Abstract：Cold drawing raw materials and 301 austenitic stainless steel after cold drawn deformation fracture have been analyzed comprehensively by metallographic examination, mechanical property test，micro hardness analysis, Image Pro Plus martensite coverage analysis and J-Matpro performance simulation forecast analysis. The results show that the basic cause for the fracture was that deformation induced phase transformation to create martensite. Martensite has the characteristics of high strength, high hardness and low plasticity phase, so that it is easily broken under the action of cold drawing deformation. After the solid solution treatment with heat preservation at 1 080℃ for 60 min, the microstructure of phase transformation was reverted to the austenite structure with grain size 6.0, and its strength and hardness decreased, and elongation percentage incereased.

Key words：301 stainless steel; cold drawing deformation; fracture; solid solution treatment

收稿日期：2015—12—01

作者簡(jiǎn)介：陳祥鳳(1984—)，講師，從事材料科學(xué)與工程教學(xué)科研工作。電話：18454251315，E-mail:xiangfeng1984@163.com

中圖分類號(hào)：TG115.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B