N08020耐蝕合金的熱變形性能研究

高 佩

(1.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司，江蘇 宜興 214203; 2.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

N08020(國(guó)內(nèi)為NS143，國(guó)外為20Cb- 3)鋼是一種Ni- Fe- Cr- Mo- Cu奧氏體耐蝕合金，在硫酸、硝酸、氯化物環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，因而被廣泛用于制作處理熱硫酸的裝置、含氯化物溶液的熱交換器、煉油裝置、濕法冶金裝置等[1- 8]。

N08020合金具有較好的冷、熱加工性能。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)它的研究主要集中在焊接工藝等方面[1- 5,9- 10]，有關(guān)熱變形工藝研究的報(bào)道較少，特別是在該合金的熱模擬方面。本文采用Gleeble- 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)鍛造態(tài)N08020耐蝕合金在900～1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，以研究溫度對(duì)N08020耐蝕合金熱變形性能的影響，為制定N08020耐蝕合金的熱變形工藝提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用N08020耐蝕合金采用真空感應(yīng)+電渣重熔工藝冶煉，再鍛造成φ105 mm的棒材，化學(xué)成分如表1所示。

1.2 熱拉伸試驗(yàn)

表1 試驗(yàn)用N08020耐蝕合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated N08020 corrosion resistant alloy (mass fraction) %

沿N08020合金棒料縱向取樣，磨拋后采用體積分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液進(jìn)行電解浸蝕，然后在ZEISS Axiovert 40MAT型顯微鏡下觀察。

沿N08020合金棒材縱向取樣，加工8個(gè)尺寸為φ10 mm×116 mm的拉伸試樣，試樣兩端螺紋為M10 mm×15 mm。采用Gleeble- 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)將試樣以10 ℃/s加熱到900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 175、1 200 ℃，控溫精度±1 ℃，保溫3 min，再以1 s-1的應(yīng)變速率拉伸至試樣斷裂，計(jì)算試樣的斷面收縮率。再用ZEISS EVO18型掃描電鏡觀察斷口形貌，并采用ZEISS Axiovert 40MAT型顯微鏡檢驗(yàn)軸向組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍛態(tài)組織及析出相

如圖1所示，鍛造態(tài)N08020合金組織為等軸晶，有較多孿晶，平均晶粒尺寸約為26.07 μm，平均晶粒度約為7.24級(jí)。

圖1 鍛造態(tài)N08020合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of the as- forged N08020 alloy

在掃描電鏡下N08020合金棒材的組織形貌如圖2(a)所示，可見合金中存在隨機(jī)分布的灰色方形或多邊形析出相及沿縱向分布的白色析出相。能譜分析表明，灰色方形或多邊形析出相為(Ti,Nb)(C,N)，白色析出相為富Cr、Mo的碳化物，如圖2(b)、2(c)所示。

圖2 N08020合金棒材組織的SEM形貌(a)及灰色(b)和白色(c)析出相的能譜分析Fig.2 SEM microstructure (a) and EDS analysis of gray (b) and white (c) precipitated phases in the N08020 alloy bar

2.2 溫度對(duì)熱變形性能的影響

N08020合金的熱變形性能隨溫度的變化如圖3所示，由圖可見，當(dāng)拉伸溫度為900 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度為404 MPa，隨著試驗(yàn)溫度的提高，抗拉強(qiáng)度明顯下降，當(dāng)溫度提高到1 200 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最低，為130 MPa； 隨著試驗(yàn)溫度的提高，合金的斷面收縮率先增大后減小，為68.0%～98.5%，具有良好的熱塑性，特別是在1 000～1 200 ℃，斷面收縮率均大于83.8%，且在1 175 ℃時(shí)達(dá)到最大值98.5%。

圖3 N08020合金的熱變形性能隨試驗(yàn)溫度的變化Fig.3 Hot deformability as a function of test temperatures for the N08020 alloy

2.3 拉伸斷口分析

熱拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣的宏觀形貌如圖4所示。在900～1 200 ℃熱拉伸時(shí)， 試樣斷口處均發(fā)生了明顯的頸縮， 可見在此溫度范圍內(nèi)該合金具有較好的熱塑性；試樣的頸縮程度隨著試驗(yàn)溫度的提高而越來越明顯，在1 175 ℃拉伸的試樣頸縮最明顯，熱塑性最佳；在1 200 ℃拉伸的試樣頸縮稍有減小。N08020合金熱拉伸試樣斷口的宏觀形貌隨試驗(yàn)溫度的變化與熱變形性能隨溫度的變化規(guī)律相同。

圖4 在不同溫度拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣的宏觀形貌Fig.4 Macrographs of the N08020 alloy specimens after tensile testing at various temperatures

N0802合金試樣在900～1 200 ℃拉伸后的斷口掃描電鏡形貌如圖5所示。由圖5可知，在900 ℃拉伸的試樣斷口有較多細(xì)小的圓形或橢圓形孔洞和韌窩，隨著試驗(yàn)溫度的提高而增多、加深，說明塑性越來越好；1 200 ℃拉伸的試樣斷口孔洞和韌窩數(shù)量急劇減少，大部分較平整，塑性下降。

圖5 N08020合金試樣在不同溫度拉伸后的斷口宏觀形貌Fig.5 Macrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

圖6為N08020合金試樣在900、1 175和1 200 ℃拉伸后斷口的高倍形貌。900 ℃拉伸試樣的斷口韌窩小而淺，個(gè)別韌窩較大，韌性較好；1 175 ℃拉伸試樣的斷口有許多較深的韌窩，說明在此溫度下該合金具有良好的塑性；1 200 ℃拉伸試樣的斷口發(fā)生了局部熔融，導(dǎo)致其熱塑性降低。

圖6 N08020合金試樣在不同溫度拉伸后的斷口高倍形貌Fig.6 High power micrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

2.4 軸向組織

N08020合金拉伸試樣斷口處軸向顯微組織及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨試驗(yàn)溫度的變化如圖7、圖8所示。由圖7可知，在900 ℃拉伸的試樣斷口處晶粒沿拉伸方向拉長(zhǎng)，由于晶粒在原始晶界、孿晶界及析出相等處形核需要的能量較低，因而在這些部位出現(xiàn)了許多細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，呈串狀，說明發(fā)生了局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒平均尺寸約為3.56 μm，平均晶粒度為12.98級(jí)，通過軟件分析，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)約為85.12%。在拉伸過程中，裂紋源首先在細(xì)小再結(jié)晶晶粒與原始晶粒界面形成，隨后在應(yīng)力作用下擴(kuò)展并最終斷裂；當(dāng)試驗(yàn)溫度提高到950 ℃時(shí)，細(xì)小再結(jié)晶晶粒增多，再結(jié)晶晶粒尺寸約為3.69 μm，未明顯長(zhǎng)大，此時(shí)合金基本完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)約為98.13%；當(dāng)試驗(yàn)溫度進(jìn)一步提高到1 000 ℃時(shí)，合金發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；試驗(yàn)溫度繼續(xù)提高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒緩慢長(zhǎng)大，超過1 150 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒迅速長(zhǎng)大；1 200 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒平均尺寸約為26.81 μm，晶粒度7.15級(jí)，斷口出現(xiàn)了鑄態(tài)組織，如圖7所示。

當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到1 200 ℃時(shí)，在熱拉伸過程中，S、P等雜質(zhì)元素的溶解度很小，易向晶界偏聚從而改變晶界成分，降低其熔點(diǎn)，首先在三角晶界處熔化，然后沿晶界擴(kuò)展，晶粒界面的熔化孔洞連接成熔化塊[11]。此外，試驗(yàn)溫度越高，晶粒越粗大，晶界總長(zhǎng)度越小，單位長(zhǎng)度晶界上雜質(zhì)元素濃度更高，因此發(fā)生了局部熔融，熱塑性降低。

圖7 在不同溫度拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣斷口的軸向顯微組織Fig.7 Axial microstructures of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

圖8 在不同溫度拉伸試驗(yàn)后N08020合金試樣斷口的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸隨溫度的變化Fig.8 Effect of temperature on volume fraction and size of dynamically recrystallized grains on the N08020 alloy specimen fractures after tensile testing at different temperatures

在900～1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率熱拉伸試驗(yàn)時(shí)，N08020合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而增大，1 000 ℃拉伸的合金發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒隨著溫度的升高而逐漸增大。與上述熱塑性曲線、斷口宏觀形貌和斷口軸向組織結(jié)合起來看，對(duì)于N08020耐蝕合金，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，最佳的熱變形溫度為1 000～1 175 ℃。

3 結(jié)論

(1)在900～1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行熱拉伸試驗(yàn)時(shí)，隨著溫度的提高，N08020耐蝕合金的抗拉強(qiáng)度逐漸下降，斷面收縮率先增大后減小，為68.0%～98.5%，具有良好的熱塑性，特別是在1 000～1 200 ℃，斷面收縮率大于83.8%，在1 175 ℃時(shí)最大，為98.5%，熱塑性最佳。

(2)N08020合金在900～1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行熱拉伸后， 試樣斷口均有明顯的頸縮，其變化趨勢(shì)與熱變形性能隨溫度的變化規(guī)律相同。

(3)N08020耐蝕合金在900 ℃拉伸后，試樣斷口有較多細(xì)小的圓形或橢圓形孔洞和韌窩， 且隨著溫度的提高而增多、加深，塑性越來越好；1 200 ℃拉伸的試樣斷口孔洞和韌窩數(shù)量急劇減少，斷口大部分較平整，塑性下降。

(4)在900～1 200 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率拉伸的試樣斷口處動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的提高而增大，在1 000～1 200 ℃拉伸時(shí)，發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。但1 200 ℃拉伸后試樣的斷口發(fā)生了局部熔融，熱塑性降低。當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，N08020耐蝕合金最佳的熱變形溫度為1 000～1 175 ℃。