氮含量對18Mn18CrN鋼高溫性能的影響

房 菲 黃 健 李靜媛

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

氮含量對18Mn18CrN鋼高溫性能的影響

房 菲1黃 健1李靜媛2

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

通過熱模擬試驗研究了不同試驗溫度下，氮質(zhì)量分數(shù)分別為0.07%、0.34%、0.44%和0.72%的 18Mn18CrN鋼的斷面收縮率和抗拉強度等力學性能。結(jié)果表明：(1)18Mn18CrN鋼的斷面收縮率隨著試驗溫度的升高而增大，但當溫度高于1 200 ℃時，略有下降；(2)氮含量增加，鋼具有高塑性的溫度區(qū)變窄，氮質(zhì)量分數(shù)為0.72%的鋼，其具有最佳力學性能的溫度區(qū)縮小至1 150～1 200 ℃；(3)隨著試驗溫度的升高，18Mn18CrN鋼的抗拉強度均呈線性下降的趨勢，且氮含量越高，其高溫抗拉強度對溫度的變化越敏感；(4)氮含量增加，18Mn18CrN鋼的斷面收縮率呈“V”形趨勢變化。

18Mn18CrN鋼 氮含量 高溫塑性 試驗溫度

高氮奧氏體不銹鋼因其節(jié)鎳、高強度、耐點腐等特點，在國防、船舶、石油化工、醫(yī)療等領域具有廣泛的應用前景。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，高氮奧氏體不銹鋼在熱加工過程中容易開裂，熱成形性不良，嚴重影響了高氮鋼的成品加工及其使用性能[1]。因此，高氮奧氏體不銹鋼脆- 韌轉(zhuǎn)變得到了眾多學者的關注[2- 10]。姜周華等[11]指出，鑄態(tài)電渣重熔18Mn18CrN鋼的高溫塑性曲線具有高溫脆性區(qū)(1 250～1 345 ℃)、高溫塑性區(qū)(1 050～1 250 ℃)和二次脆性區(qū)(低于1 050 ℃)，高溫可鍛區(qū)間窄。崔光洙等[12]也指出，不銹鋼中加入銅元素后，其熱加工性能受到影響，容易發(fā)生熱脆性。王長軍等[3]指出，氮含量的增加，不僅使鋼的斷面收縮率下降，而且使鋼獲得最大斷面收縮率的溫度有所提高，0Cr18Ni9N鋼的最佳高溫塑性溫度區(qū)間為1 150～1 250 ℃。李志斌等[4]指出，在1 100 ℃時鋼的塑性最差，主要是因為在凝固過程中沿晶界析出的CrN相在加熱過程中沒有全部固溶，且MnS相沿晶界析出。但目前高氮鋼的高溫塑性溫度區(qū)間研究結(jié)果不一致，且多集中于研究某一特定氮含量的鋼在高溫變形過程中高溫塑性隨溫度的變化，研究結(jié)果缺乏規(guī)律性。

本文以18Mn18CrN鋼作為研究對象，通過熱模擬試驗研究了溫度、氮含量對18Mn18CrN鋼高溫力學性能的影響規(guī)律，分析了不同氮含量鋼的斷裂機制，探明了18Mn18CrN鋼高溫塑性的變化規(guī)律。

1 試驗材料及方法

試驗材料為常壓高頻感應熔煉爐冶煉的18Mn18CrN鋼，其化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

采用Gleeble- 1500熱模擬試驗機進行高溫拉伸試驗。試驗目標溫度為950～1 250 ℃，溫度間隔為50 ℃。試驗方案：首先以10 ℃/s升溫到目標溫度以下50 ℃，然后以5 ℃/s升溫到目標溫度保溫5 min后，以1 s- 1的應變速率拉伸直至斷裂，斷裂后水冷。采用鐵素體測量儀測量拉伸斷裂后試樣的鐵素體含量。

采用掃描電鏡(SEM)觀察試驗鋼的斷口及析出相形貌，用電子探針面掃描儀(EPMA)描述析出相及基體的元素分布，分析其斷裂機制。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 溫度對18Mn18CrN鋼高溫性能的影響

對表1中的1～4號試驗鋼進行高溫拉伸試驗，其高溫塑性及高溫抗拉強度隨溫度的變化如圖1所示。由圖1(a)可知，1～4號試驗鋼的斷面收縮率隨溫度變化的趨勢相近，試驗溫度為950～1 200 ℃時，斷面收縮率均隨溫度的升高而不斷升高，但升高幅度略有不同。1號鋼在950～1 000 ℃拉伸試驗時，斷面收縮率由39%緩慢增加至41.9%，呈現(xiàn)平臺期；而在1 000～1 200 ℃拉伸試驗時，斷面收縮率由41.9%迅速升高至91.4%。隨氮含量增加，試驗鋼中平臺期溫度范圍擴大，2、3號試驗鋼的平臺期溫度范圍升高至1 050 ℃。隨著氮質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加至0.72%，4號試驗鋼的平臺期溫度范圍擴大至950～1 150 ℃。即對于1～4號試驗鋼，雖然斷面收縮率隨溫度變化趨勢相近，但是隨著氮含量增加，鋼的高塑性區(qū)溫度區(qū)間變窄，特別是18Mn18Cr 0.72N鋼，其最佳變形溫度區(qū)間縮小至1 150～1 200 ℃。當試驗溫度超過1 200 ℃時，試驗鋼的斷面收縮率略有降低，如18Mn18Cr0.07N 鋼為91.4%(1 200 ℃)、83.7% (1 250 ℃)；18Mn18C r0.72N 鋼為 64.7% (1 200 ℃)、60.9% (1 250 ℃)。這是因為溫度過高導致材料出現(xiàn)過燒現(xiàn)象所致。

由圖1(b)可知，隨著溫度的升高，試驗鋼的高溫抗拉強度呈線性下降趨勢。這是因為奧氏體相中的間隙碳、氮原子易與刃位錯交互作用，形成柯氏氣團。而柯氏氣團對位錯的釘扎阻力屬于短程力，而溫度升高引起原子熱振動有助于克服這種阻力，所以這種阻力是對溫度敏感的阻力，會隨著溫度升高而減小。并且隨著溫度的升高加工硬化效應減弱，動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶的軟化起主要作用。因此，隨著溫度的升高，試驗鋼的高溫抗拉強度呈線性趨勢下降。對含0.07%、0.34%、0.72%N(質(zhì)量分數(shù)，下同)的18Mn18CrN 鋼的高溫抗拉強度與拉伸試驗溫度進行線性擬合，由圖1中擬合結(jié)果可知，當?shù)|(zhì)量分數(shù)由0.07%增加至0.72%時，高溫抗拉強度隨溫度升高而降低的程度增強，高氮含量試驗鋼的高溫抗拉強度對溫度的變化更敏感，即每增加100 ℃，18Mn18Cr 0.72N鋼的高溫抗拉強度降低50.7 MPa，18Mn18Cr 0.34N鋼的高溫抗拉強度降低47.1 MPa，而18Mn18Cr 0.07N鋼的高溫抗拉強度降低了29.3 MPa。

圖1 溫度對不同含氮量的18Mn18CrN鋼高溫塑性(a)及抗拉強度(b)的影響

2.2 氮含量對18Mn18CrN鋼高溫性能的影響

圖2為18Mn18CrN試驗鋼的斷面收縮率及高溫抗拉強度隨氮含量的變化。由圖2(a)可知，隨著氮質(zhì)量分數(shù)由0.07%增加至0.34%，試驗鋼的斷面收縮率下降；而當?shù)|(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加至0.44%時，試驗鋼的斷面收縮率迅速升高；當?shù)|(zhì)量分數(shù)增加至0.72%時，鋼的斷面收縮率又略下降。含0.07%N鋼具有較高的斷面收縮率，為39%～80.2%(試驗溫度950～1 150 ℃)。而0.34%N鋼的斷面收縮率最小，僅為20.8%(1 000 ℃)。

圖2 氮含量對不同試驗溫度下18Mn18CrN鋼的塑性(a)及抗拉強度(b)的影響

圖3為2號和3號鋼在1 000 ℃拉伸后斷口組織的掃描圖。由圖3(a)可知，2號鋼斷口中含有少量的韌窩，其斷裂方式為脆性+韌性混合斷裂，主要以脆性為主，裂紋源集中于奧氏體和鐵素體兩相的交界處。其顯微組織由奧氏體和鐵素體兩相組成，由于奧氏體和鐵素體變形協(xié)調(diào)性不一致，因此在拉伸變形過程中奧氏體和鐵素體相界處為裂紋源，易發(fā)生斷裂，導致試驗鋼的塑性較低。同樣由圖3(a)可知，斷口中存在少量韌窩，韌窩的產(chǎn)生是因為此處為同滑移面或不同滑移方向上形成的滑移帶的相交處，該處在應力作用下產(chǎn)生微孔，繼而形成韌窩狀。

18Mn18Cr0.44N鋼(3號鋼)的高溫塑性明顯高于18Mn18Cr 0.34N鋼，斷面收縮率為41.2%～55.0%(試驗溫度950～1 150 ℃)。由圖3(b)可知，3號鋼斷口上布滿了韌窩，是典型的韌性斷裂特征。裂紋源多因韌窩孔在變形過程中聚集長大造成。鑄態(tài)18Mn18Cr 0.44N鋼顯微組織由奧氏體相和少量的σ相組成，但根據(jù)前期研究結(jié)果，18Mn18Cr 0.44N鋼中σ相的固溶溫度為800 ℃左右，因此當試驗溫度為1 000 ℃時，3號鋼的顯微組織僅由奧氏體相組成。由于奧氏體塑性好，在應力作用下(111)面上的位錯滑移、層錯擴展，釋放了應力，在宏觀上表現(xiàn)為試驗鋼具有較好的均勻塑性變形能力。由于奧氏體具有較強的加工硬化效應，隨著拉伸形變的進行，在不同滑移面或不同滑移方向上形成的滑移帶相交處，因應力集中而產(chǎn)生微孔，繼而擴大成為微裂紋，斷裂時留下蜂窩狀的特征。同樣由圖3(b)可知，韌窩底部存在球狀物質(zhì)，對其采用能譜儀進行分析，結(jié)果如圖3(c)所示。除基體元素Cr、Mn、Fe外，該物質(zhì)含有O、S、Si、Al等元素，由此可推斷該球狀物質(zhì)可能為富含O、S、Al的夾雜物。

圖3 18Mn18Cr 0.34N(a)和18Mn18Cr 0.44N(b)鋼1 000 ℃拉伸后的斷口掃描圖及鋼中球狀物的EDS

隨著氮質(zhì)量分數(shù)由0.44%繼續(xù)增加至0.72%，4號鋼的斷面收縮率略微下降(見圖2(a))。由鐵素體測量結(jié)果可知，鑄態(tài)3號鋼中鐵素體體積分數(shù)為0.27%，試驗鋼主要由奧氏體和少量σ、δ相組成。鑄態(tài)4號鋼的鐵素體體積分數(shù)為0，鋼由單相奧氏體和少量Cr2N相組成。

根據(jù)3號和4號試驗鋼的Fe-N偽二元相圖[13]可知，3號鋼中σ相完全溶解的溫度約為800 ℃，而4號鋼中Cr2N相完全溶解的溫度約為1 000 ℃。由于熱模擬試驗的溫度為950～1 150 ℃，因此在拉伸試驗溫度范圍內(nèi)3號鋼中的析出相完全溶解，僅由單相奧氏體組成，塑性較好。而拉伸試驗溫度為950～1 050 ℃時，4號鋼中會存在少量未溶解的析出相，因此塑性值較低約為40%。而當溫度升高至1 100 ℃和1 150 ℃時，由于高溫軟化作用及析出相的溶解，使得4號鋼的斷面收縮率升高至46.2%。

此外，當溫度為1 150 ℃時，3號和4號鋼均由單相奧氏體組成，但由圖2(a)可知，3號鋼的斷面收縮率高于4號鋼(3鋼55%，4號鋼46.2%)。產(chǎn)生該現(xiàn)象是因為含氮鋼的高溫軟化機制主要是動態(tài)再結(jié)晶，而增加氮含量會抑制試驗鋼再結(jié)晶的程度，增加完全再結(jié)晶的時間及溫度。圖4為18Mn18Cr 0.44N(3號)和18Mn18Cr 0.72N(4號)鋼在1 150 ℃拉伸斷裂后斷面的縱向組織。由圖4(a)可以看出，3號鋼的再結(jié)晶程度較高，晶粒更細小且尺寸均勻。而由圖4(b)可知，4號鋼在該溫度拉伸變形時，再結(jié)晶的程度較弱，僅有極少部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶，晶粒多表現(xiàn)為原鑄態(tài)的晶粒尺寸，且不均勻。因此，與3號鋼相比，在拉伸變形溫度相同時，4號鋼的高溫塑性略低。

圖4 18Mn18Cr 0.44N(a)和18Mn18Cr 0.72N(b)鋼經(jīng)1 150 ℃拉伸試驗后斷口的縱向組織

圖2(b)為試驗鋼高溫抗拉強度與氮含量的關系。由圖可知，隨著氮含量增加，流變應變呈線性趨勢增加。這主要是因為氮原子作為間隙原子，存在于奧氏體八面體間隙而造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而提高了試驗鋼的強度。對試驗溫度為950、1 050、1 150 ℃試驗鋼的高溫抗拉強度與氮含量進行線性擬合，結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，氮原子的固溶強化效果明顯減弱，每增加0.1%N，在950 ℃拉伸試驗時鋼的抗拉強度將降低22.1 MPa，而在1 150 ℃拉伸試驗時則降低15.3 MPa。這是因為固溶氮原子對位錯的釘扎力為短程力，該力受溫度影響較大，當溫度升高時，氮原子的釘扎作用減弱。因此，當溫度較高時，隨著氮含量增加，鋼的高溫抗拉強度增加幅度較小。

以上分析表明，氮含量影響試驗鋼的斷面收縮率及高溫抗拉強度。隨著氮含量增加，試驗鋼的斷面收縮率先降低，而當試驗鋼(3號鋼)由單相組成時斷面收縮率又迅速升高至較高值，隨著氮質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加至0.72%時，由于氮抑制奧氏體晶粒的再結(jié)晶及鋼中存在少量未溶解的析出相，導致試驗鋼的斷面收縮率又略微下降。隨著氮含量增加，試驗鋼的高溫抗拉強度呈線性趨勢增加。

3 結(jié)論

(1)氮質(zhì)量分數(shù)分別為0.07%、0.34%、0.44%和0.72%的18Mn18CrN鋼的斷面收縮率隨溫度升高而逐漸升高，但拉伸變形溫度超過1 200 ℃時略有下降。且隨著氮含量的增加，鋼的高塑性區(qū)溫度區(qū)間變窄，當?shù)|(zhì)量分數(shù)為0.72%時，試驗鋼的最佳拉伸變形溫度區(qū)縮小至1 150～1 200 ℃。

(2)隨著拉伸溫度的升高，18Mn18CrN鋼的高溫抗拉強度均呈線性下降趨勢。但隨著氮質(zhì)量分數(shù)由0.07%增加至0.72%，高溫抗拉強度隨溫度升高而降低的程度增強，高氮含量試驗鋼的高溫抗拉強度對溫度變化更敏感。

(3)隨著氮質(zhì)量分數(shù)由0.07%增加至0.72%，18Mn18CrN鋼的斷面收縮率呈“V”形趨勢變化。當?shù)|(zhì)量分數(shù)為0.34%時，試驗鋼的斷面收縮率值最小，其高溫斷裂機制為脆性+韌性混合斷裂。

(4)隨著氮含量增加，18Mn18CrN鋼的流變應變呈線性增加趨勢，但隨著拉伸溫度升高，高溫抗拉強度增加的幅度減小。每增加0.1%N，在950 ℃拉伸試驗時鋼的抗拉強度將降低22.1 MPa，而在1 150 ℃拉伸試驗時則降低15.3 MPa。

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收修改稿日期：2016- 06- 28

Influence of Nitrogen Content on High Temperature Properties of 18Mn18CrN Steel

Fang Fei1Huang Jian1Li Jingyuan2

(1. China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd., Beijing 100840, China;2. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Mechanical properties such as reduction of area and tensile strength of 18Mn18CrN steels containing by weight 0.07%,0.34%,0.44% and 0.72% nitrogen,respectively, at different test temperatures were investigated by a thermal simulation experiment. The results were outlined as follows: (1) With the increase of test temperature, so too did the reduction of area of the 18Mn18CrN steels, but slightly reduced at temperatures over 1 200 ℃; (2)As the nitrogen content became higher, the temperature range in which the steels exhibited high plasticity narrowed, and the temperature range in which the 18Mn18Cr 0.72N steel possessed the optimum mechanical properties narrowed to 1 150 to 1 200 ℃; (3) With the increase of test temperature, the tensile strength of 18Mn18CrN steels decreased monotonically, and the higher nitrogen content, the more sensitive to variation in temperature the high temperature tensile strength of steels was; (4) With the increase of nitrogen content, the reduction of area of 18Mn18CrN steels changed in the form of “V” .

18Mn18CrN steel，nitrogen content，high temperature plasticity，test temperature

國家自然科學基金(No.51174026)資助項目

房菲，女，博士，主要從事高氮奧氏體不銹鋼的組織及性能研究，Email:ustb_fangfei@163.com