加工工藝對AISI 308L不銹鋼棒材組織與性能的影響

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司，西安 710201)

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)[1]、海洋工業(yè)[2]、石油天然氣工業(yè)[3]。近年來隨著我國核電工業(yè)的大力發(fā)展，實現(xiàn)第三代壓水堆堆芯材料國產(chǎn)化對我國實施核電“走出去”國家戰(zhàn)略具有重要意義。由于服役環(huán)境的客觀要求，核電用奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)材料存在應(yīng)力腐蝕和點腐蝕等局部腐蝕現(xiàn)象，這對材料的服役周期有十分重要的影響。

張瑜[4]研究了304L不銹鋼在Cl-作用下的腐蝕行為，結(jié)果表明304L不銹鋼的自腐蝕電位隨著Cl-濃度增大而升高，且陽極極化曲線的鈍化越來越明顯。孫敏等[5]研究了含Cl-環(huán)境中溫度對超高強度不銹鋼腐蝕性能的影響，結(jié)果表明溫度越高不銹鋼的自腐蝕電位越低，腐蝕電流越大，腐蝕性能下降。

本工作采用不同的加工工藝制備出308L不銹鋼棒材，并著重研究了加工工藝對材料顯微組織、力學(xué)性能及耐蝕性的影響，以期對工業(yè)化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗

試驗材料為AISI 308L不銹鋼棒材，化學(xué)成分見表1。原材料直徑為Φ30 mm，分別利用熱軋或冷軋工藝將原材料加工至Φ10 mm的成品，對其進行固溶處理(1 050 ℃，5 min)后，對試樣進行冷加工(形變量為15%～20%)，制得熱軋試樣及冷軋試樣，對兩種加工態(tài)試樣進行敏化(650 ℃、2 h)，制得敏化態(tài)試樣。

采用GX51倒置金相顯微鏡、UTM5205微機控制電子萬能試驗機對試樣的顯微組織、力學(xué)性能進行觀察與測試。應(yīng)用PARSTAT4000型電化學(xué)分析儀對加工態(tài)試樣(熱軋試樣及冷軋試樣)及其敏化態(tài)試樣的電化學(xué)阻抗譜及極化曲線(Tafel曲線)進行了測試。試驗溶液為室溫下的3.5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)NaCl溶液，電解池采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SEC)，輔助電極為Pt電極；極化曲線掃描范圍為-0.5～1.5 V(相對于自腐蝕電位)，掃描速率為2 mV/s。

表1 試驗材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the test material %

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見：冷軋態(tài)試樣經(jīng)固溶處理后其晶粒尺寸較小，不超過20 μm；熱軋試樣經(jīng)固溶處理后其晶粒尺寸較大，個別晶粒尺寸接近30 μm。

兩種加工態(tài)試樣經(jīng)過敏化處理后，晶界仍有部分間隙碳化物析出，且冷軋試樣的碳化物析出量明顯多于熱軋試樣的。原因可能是由于熱軋工藝會使308L棒材的顯微組織產(chǎn)生更多的低∑CSL晶界；已有研究驗證304奧氏體不銹鋼具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，且層錯能較低，因此在晶粒長大過程中產(chǎn)生的多重孿晶會增加低∑CSL晶界比例，抑制碳化物的析出，提高其晶間腐蝕性能[6]。熱軋試樣的組織粗大，熱軋試樣及其敏化態(tài)試樣在晶界處的碳化物析出量均較少，表現(xiàn)出較優(yōu)異的抗晶間腐蝕性能。

2.2 力學(xué)性能

由表2可見：冷軋(熱軋)試樣及其敏化態(tài)試樣的力學(xué)性能差別不大，加工硬化是其主要強化方式。冷加工變形會使奧氏體不銹鋼棒材的抗拉強度，屈服強度顯著提高，同時伴有塑性的丟失。敏化態(tài)試樣的力學(xué)性能相對加工態(tài)試樣的有所下降，這是因為析出的碳化物增加了材料基體的脆性。

(a)冷軋試樣

(b)熱軋試樣

(c)冷軋敏化試樣

(d)熱軋敏化試樣圖1 采用不同加工工藝制得AISI 308L不銹鋼棒材試樣及其敏化態(tài)試樣的顯微組織Fig.1 Microstructure of AISI 308L stainless steel bar samples and their sensitized samples prepared by different processing techniques：(a)cold-rolling sample；(b)hot-rolling sample；(c)cold-rolling sensitization sample;(d)hot-rolling sensitization sample

表2 不同狀態(tài)308L不銹鋼棒材的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 308L bars in different states

2.3 極化曲線(Tafel曲線)

由圖2可見：熱軋試樣的自腐蝕電位高于冷軋試樣的；熱軋試樣經(jīng)敏化處理后，自腐蝕電位有所降低，而冷軋試樣經(jīng)敏化處理后的自腐蝕電位則略有升高。由圖2還可見：幾種試樣的陽極極化曲線斜率均大于陰極極化曲線斜率，表明在NaCl溶液中，Cl-主要是通過與鈍化膜中的O2-發(fā)生交換吸附破壞鈍化膜而與基體金屬離子發(fā)生反應(yīng)，促進金屬基體陽極溶解而腐蝕的。

圖2 試樣在3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of samples in 3.5% NaCl solution

2.4 電化學(xué)阻抗(EIS曲線)

不銹鋼的耐腐蝕性能主要取決于表面鈍化膜的保護作用[7]。由圖3可見：幾種試樣的電化學(xué)阻抗譜均為實部壓縮的單個容抗弧。熱軋、冷軋試樣的容抗弧半徑無明顯差異，表明腐蝕過程的反應(yīng)阻力無顯著差異，兩種試樣均表現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性。

圖3 試樣在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜Fig.3 EIS of samples in 3.5%NaCl solution

3 結(jié)論

(1)熱軋AISI 308L不銹鋼棒材的晶粒較冷軋AISI 308L不銹鋼棒材的粗大，且晶界析出的碳化物較少；采用不同工藝制備的棒材，其冷加工態(tài)及敏化態(tài)試樣的力學(xué)性能并無明顯差異。

(2)熱軋AISI 308L不銹鋼加工態(tài)棒材的自腐蝕電位高于冷軋加工態(tài)試樣的，敏化處理對試樣的自腐蝕電位沒有明顯影響。熱軋、冷軋試樣的容抗弧半徑無明顯差異，即腐蝕過程的反應(yīng)阻力無顯著差異，熱軋、冷軋試樣均具有優(yōu)良的耐蝕性。