固溶處理對奧氏體不銹鋼07Cr18Ni11Nb高溫力學性能的影響

舒 瑋，王麗英

（1.太原鋼鐵（集團）有限公司 先進不銹鋼材料國家重點實驗室，山西 太原 030003；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術中心，山西 太原 030003）

作為一種鈮含量相對較高的奧氏體不銹鋼，07Cr18Ni11Nb鋼由于兼具優(yōu)良的高溫性能和耐晶間腐蝕性能，近年來在新能源領域得到了廣泛應用。得益于材料中大量的NbC析出物，07Cr18Ni11Nb鋼在生產(chǎn)、制備及使用過程中存在非常明顯的析出強化效果，一直以來都是相關研究工作的重點[1-4]。由于NbC析出在板材固溶處理過程中對微觀組織影響較大，07Cr18Ni11Nb鋼表現(xiàn)出與普通奧氏體不銹鋼不同的力學性能，特別是高溫力學性能轉變規(guī)律。目前對這方面的研究相對較少[5-9]。

本文通過對07Cr18Ni11Nb鋼進行一系列固溶處理試驗，探索了不同固溶處理條件對高溫拉伸性能的影響，為進一步提高07Cr18Ni11Nb鋼的高溫力學性能提供了參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料取樣自連鑄坯軋制后28 mm厚的熱軋板，其主要化學成分（質量分數(shù)，%）為0.04～0.10C、17～19Cr、9～10Ni、0.4～0.5Nb，余量Fe。從熱軋板上切取尺寸為28 mm×30 mm×150 mm的試樣，在室式電阻爐中進行固溶處理試驗，固溶溫度分別為1050、1100、1150和1200℃，保溫時間為1 h，出爐后水冷至室溫。固溶處理完畢分別制備金相試樣及高溫拉伸試樣，其中金相試樣磨拋后用鹽酸-三氯化鐵水溶液侵蝕，在Leica DMR型正置式光學顯微鏡下觀察試樣的微觀組織；高溫拉伸試驗在CMT 5105高溫拉伸試驗機上進行，試驗溫度為500℃和600℃，利用Nova Nano SEM430掃描電鏡對拉伸斷口進行觀察分析。運用Thermo-Calc軟件對試驗鋼析出相的熱力學平衡相圖進行計算。

2 試驗結果與分析

2.1 熱軋態(tài)組織

熱軋板試樣的金相照片、掃描電鏡照片及析出物能譜分析如圖1所示。可以看到熱軋試樣微觀組織中含有奧氏體晶粒、條帶狀鐵素體以及大量點狀析出物，其中奧氏體晶粒分布均勻，尺寸在30μm左右。析出物能譜分析顯示其主要元素成分（質量分數(shù)，%）為47.74Nb、14.98C，為NbC析出物。

圖1 熱軋板軋向顯微組織（a，b）及析出物能譜分析（c）Fig.1 Roll-oriented microstructure（a，b）and energy spectrum analysis of precipitate（c）of the hot-rolled sheet

2.2 固溶處理試樣微觀組織

試樣經(jīng)不同溫度固溶處理后的金相照片如圖2所示?？梢钥闯?，隨著固溶處理溫度的升高，微觀組織中的條帶狀鐵素體逐漸減少，1150℃以上已基本觀察不到鐵素體組織（見圖2（c））。當固溶處理溫度≤1100℃時，奧氏體晶粒未發(fā)生明顯長大，晶粒尺寸保持在30μm左右（見圖2（a，b））；1150℃時，局部區(qū)域奧氏體晶粒迅速長大，形成明顯的混晶現(xiàn)象（見圖2（c））；當固溶處理溫度達到1200℃時，組織均勻性重新恢復，奧氏體晶粒長大至100μm以上（見圖2（d））。

通過計算所得的熱力學平衡相圖（見圖3）可知，試樣中NbC（FCC-A1#2相）在1300℃以上才能完全溶于基體，由此這些析出物在1100℃的固溶處理條件下，對奧氏體晶粒長大仍然具有強烈的釘扎作用；當溫度繼續(xù)升高后，隨著析出物的回溶、粗化，奧氏體晶粒逐漸脫離析出物的阻礙，晶粒尺寸明顯增大（見圖2（c，d））。

圖2 試驗鋼經(jīng)不同溫度固溶處理后的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographic images of the tested steel solution-treated at different temperatures

圖3 試驗鋼的熱力學平衡相圖（a）及FCC-A1#2相的化學組成Fig.3 Thermodynamics equilibrium phase diagram of the tested steel（a）and chemical composition of FCC-A1#2 phase

2.3 固溶處理試樣高溫拉伸性能

固溶處理后試樣在500℃和600℃下的高溫拉伸性能如圖4所示?？梢钥闯觯?00℃的高溫強度明顯高于600℃；高溫屈服強度隨固溶處理溫度的升高逐漸降低，600℃屈服強度從1050℃固溶處理時的160 MPa降至1200℃固溶處理時的120 MPa左右，500℃屈服強度從1050℃固溶處理時的162 MPa降至1200℃固溶處理時的130 MPa左右；500℃和600℃下的高溫抗拉強度無明顯變化，分別在400 MPa和390 MPa左右。

對高溫拉伸試樣斷口附近組織進行金相觀察后發(fā)現(xiàn)，擁有大尺寸晶粒的1200℃固溶處理試樣（如圖5（b，d）所示），其晶粒變形程度更加明顯。結合圖4可知，在500℃和600℃的高溫拉伸試驗溫度下，小尺寸晶粒由于存在大量的奧氏體晶界，晶內位錯滑移時的啟動更加困難，表現(xiàn)出更高的高溫屈服強度。

圖4 經(jīng)固溶處理后試樣在500℃和600℃下的屈服強度（a）和抗拉強度（b）Fig.4 Yield strength（a）and tensile strength（b）at 500℃and 600℃of the specimens after solution treatment

圖5 不同溫度固溶處理后試樣500℃（a，b）和600℃（c，d）拉伸斷口附近的微觀組織Fig.5 Microstructure near tensile fracture at 500℃（a，b）and 600℃（c，d）of the specimens solution-treated at different temperatures

3 結論

1）07Cr18Ni11Nb鋼在固溶處理溫度≤1100℃時，奧氏體晶粒尺寸與熱軋態(tài)基本一致，保持在30μm左右；當固溶處理溫度達1200℃時，奧氏體晶粒尺寸可增大至100μm以上。

2）在500℃（600℃）的高溫拉伸試驗條件下，隨著試驗鋼固溶處理溫度由1050℃升至1200℃，高溫屈服強度分別從162 MPa（160 MPa）降至130 MPa（120 MPa）左右；高溫抗拉強度無明顯變化，保持在400 MPa（390 MPa）左右。

3）在600℃拉伸溫度以下試驗鋼奧氏體晶界是決定強化效果的重要因素，晶粒尺寸越小，高溫屈服強度越高。