冷變形對Sanicro 25奧氏體耐熱鋼組織和性能的影響

喬吉新，申俊杰，王新宇

(1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級實驗教學(xué)示范中心，天津 300384)

0 引 言

提高火力發(fā)電效率是降低能耗和污染的重要手段。目前，我國正在投入使用的火電機(jī)組主要以亞臨界火電機(jī)組和超臨界火電機(jī)組為主，其蒸汽參數(shù)在17.0～25.5 MPa、540～567 ℃之間，發(fā)電效率只有38%～41%；而蒸汽參數(shù)在30 MPa、600 ℃的超超臨界火電機(jī)組發(fā)電效率可以達(dá)到48%，蒸汽參數(shù)高至30 MPa、700 ℃的高溫超超臨界機(jī)組發(fā)電效率可以提升到57%[1-2]。制約火力發(fā)電機(jī)組蒸汽參數(shù)提升的關(guān)鍵技術(shù)是核心高溫材料的選擇和研制。Sanicro 25鋼是瑞典山特維克(Sandvik)公司專門為700 ℃高溫超超臨界機(jī)組開發(fā)的一種新型奧氏體耐熱鋼，具有較高的蠕變強(qiáng)度、較好的組織穩(wěn)定性、優(yōu)良的冷加工性能以及優(yōu)異的抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能，常應(yīng)用于超(超)臨界機(jī)組過熱器/再熱器中[3-4]。優(yōu)良的冷加工性能可以在生產(chǎn)制造高溫器件過程中減少材料用量，降低生產(chǎn)成本[5]。但是，冷變形后奧氏體鋼的組織形貌、力學(xué)性能、織構(gòu)類型等均會發(fā)生變化[6]，并且織構(gòu)的變化會對力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響[7-9]，導(dǎo)致奧氏體鋼高溫器件難以在機(jī)組中長期穩(wěn)定服役。為解決此問題，作者研究了不同冷變形量對Sanicro 25奧氏體耐熱鋼顯微組織、力學(xué)性能和織構(gòu)演變的影響規(guī)律，擬為進(jìn)一步改善Sanicro 25奧氏體耐熱鋼性能提供理論指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為Sanicro 25鋼管，規(guī)格為φ65 mm×10 mm，化學(xué)成分見表1。采用線切割沿管長方向切割出長度為220 mm，寬度為30 mm，厚度分別為2.0，2.5，4.0 mm的板狀試樣，使用雙輥冷軋機(jī)進(jìn)行多道次冷軋變形，其中2.0 mm厚試樣未變形(變形量為0)，2.5，4.0 mm厚試樣的變形量分別為20%，50%。

表1 Sanicro 25鋼的化學(xué)成分

圖1 拉伸試樣形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

沿軋制方向切割出立方體試樣，經(jīng)機(jī)械研磨、拋光、王水腐蝕后，使用OLYMPUS-BX51M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。使用島津XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)對變形試樣進(jìn)行物相分析。立方體試樣經(jīng)機(jī)械研磨、電解拋光后，使用Oxford C-nano型掃描電鏡應(yīng)用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)進(jìn)行織構(gòu)分析。

沿軋制方向取樣，制成如圖1所示的拉伸試樣，拉伸試樣厚度為2 mm，標(biāo)距為80 mm。采用WDW300型萬能試驗機(jī)對試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速度為10 mm·min-1。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 冷變形對顯微組織的影響

圖中RD為軋制方向，TD為垂直于軋制面的法線方向。由圖2可以看出，未變形(冷變形量為0)和不同冷變形量試驗鋼的顯微組織均為多邊形奧氏體，奧氏體晶內(nèi)分布有孿晶(箭頭所指)，孿晶數(shù)量隨著冷變形量的增大而增加。

圖2 不同冷變形量試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of test steel with different cold deformations

圖3中紅色為小角度晶界(2°～15°)，灰色為大角度晶界(大于15°)。由圖3可以看出：未變形試驗鋼組織中存在少量的小角度晶界，平均晶粒尺寸為143 μm，且晶內(nèi)出現(xiàn)少量孿晶；當(dāng)冷變形量為20%時，小角度晶界數(shù)量增加，占比達(dá)57.4%，平均晶粒尺寸減小至109 μm，晶粒中孿晶數(shù)量增多且孿晶出現(xiàn)部分彎曲變形；當(dāng)冷變形量為50%時，小角度晶界占比增至85.4%，平均晶粒尺寸進(jìn)一步減小至76 μm，晶粒細(xì)化,晶界模糊并產(chǎn)生更多孿晶。通常可將小角度晶界看成由一系列位錯構(gòu)成，小角度晶界占比提升也就意味著位錯密度提升。因此，隨著冷變形量的增加，試驗鋼中位錯密度增大。

圖3 不同冷變形量試驗鋼的大/小角度晶界分布Fig.3 Distribution of large/small angle grain boundaries of test steel with different cold deformations

圖4 不同冷變形量試驗鋼的XRD譜Fig.4 XRD patterns of test steel with different cold deformations

2.2 冷變形對物相組成的影響

XRD譜中衍射峰的高低反映了晶粒取向的強(qiáng)弱。由圖4可以看出：與未冷變形相比，冷變形后試驗鋼的XRD譜中未出現(xiàn)新的衍射峰，說明冷變形未導(dǎo)致新相形成，但是γ(111)和γ(200)衍射峰強(qiáng)度減弱，而γ(220)衍射峰強(qiáng)度增大，這是由于在冷變形過程中晶粒取向改變而導(dǎo)致的。

圖5 不同冷變形量試驗鋼的反極圖Fig.5 Inverse pole figures of test steel with different cold deformations

2.3 冷變形對織構(gòu)的影響

圖5中的不同顏色代表不同晶粒取向，其中紅色代表〈001〉取向，綠色代表〈101〉取向，藍(lán)色代表〈111〉取向。由圖5可以看出：未變形試驗鋼的晶粒取向主要以〈111〉和〈101〉為主，同時存在少量的〈001〉取向；當(dāng)冷變形量為20%時，試驗鋼晶粒內(nèi)部出現(xiàn)漸變色，說明部分晶粒發(fā)生塑性變形，反極圖z方向上的晶粒取向轉(zhuǎn)向〈001〉，而〈111〉取向的晶粒數(shù)量減少，〈101〉取向的晶粒數(shù)量基本保持不變，說明晶粒開始沿著RD方向拉長；當(dāng)冷變形量為50%時，〈101〉取向的晶粒數(shù)量增多，〈111〉取向的晶粒數(shù)量繼續(xù)減少，晶粒取向主要以〈101〉和〈001〉為主。由此可見，在冷變形中，試驗鋼中的〈111〉，〈001〉取向為不穩(wěn)定取向，隨冷變形的進(jìn)行取向變化比較明顯。

通過反極圖難以對織構(gòu)進(jìn)行定量分析，只能作定性分析。為了對不同冷變形量下的織構(gòu)進(jìn)行定量分析，建立了空間結(jié)構(gòu)的多晶體取向分布函數(shù)(ODF)。

由圖6對比圖7[10]可以看出：未變形試驗鋼在歐拉角φ2=0°的截面上出現(xiàn)Rotated cube{001}〈110〉織構(gòu)，在φ2=45°截面上出現(xiàn)Goss{110}〈001〉織構(gòu)；當(dāng)冷變形量為20%時，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構(gòu)的強(qiáng)度開始減弱，并向新的{110}〈112〉織構(gòu)和Brass-R{111}〈112〉穩(wěn)定織構(gòu)轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷變形量為50%時，Rotated cube{001}〈110〉織構(gòu)又開始增強(qiáng)，Goss{110}〈001〉和Brass-R{111}〈112〉織構(gòu)基本消失。這是因為冷變形量的增加導(dǎo)致生成了大量孿晶，孿晶的形成對取向產(chǎn)生影響，使得Goss織構(gòu)和Brass-R織構(gòu)的強(qiáng)度降低[11]。

圖6 不同冷變形量試驗鋼的晶粒取向分布函數(shù)截面圖Fig.6 Cross-sectional view of grain orientation distribution function of test steel with different cold deformations

圖7 在φ2=0°和φ2=45°時面心立方晶體織構(gòu)截面圖Fig.7 Cross-sectional view of face-centred cubic crystal texture at φ2=0° and φ2=45°

2.4 冷變形對力學(xué)行為的影響

由圖8可以看出：隨著冷變形量增大，試驗鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，斷后伸長率下降；硬度隨冷變形量的增加而增大，試驗鋼產(chǎn)生了明顯的加工硬化現(xiàn)象，并且隨著冷變形量增加硬化速率降低，這與位錯密度增加和孿晶的大量出現(xiàn)有關(guān)[12-13]；屈強(qiáng)比與硬度的變化趨勢相同，且冷變形量為50%時，試驗鋼的屈強(qiáng)比約等于1。

將試驗測得的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換為真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(圖9)，采用Hollomon模型來描述其加工硬化行為。Hollomon模型表達(dá)式為

圖8 不同冷變形量試驗鋼的力學(xué)性能Fig.8 Mechanical properties of test steel with different cold deformations: (a) strength and elongation after facture and(b) yield ratio and hardness

圖9 不同冷變形量試驗鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.9 True stress-true strain curves of test steel with different cold deformations

(1)

式中：σ為真應(yīng)力；ε為真應(yīng)變；n為加工硬化指數(shù)；K為擬合參數(shù)。

利用式(1)對真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行非線性擬合，得到冷變形量為0，20%，50%時試驗鋼的n值分別為0.396，0.306，0.280，K值分別為1 266，1 909，2 499，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。n決定了金屬材料抵抗塑性變形能力，n值越大，抵抗塑性變形能力越強(qiáng)。由此可見，隨著冷變形量的增大，試驗鋼的n減小，抵抗塑性變形能力減弱。

綜上所述，冷變形使得Sanicro 25奧氏體耐熱鋼的織構(gòu)發(fā)生明顯變化，從而對宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。隨著冷變形量的增大，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構(gòu)強(qiáng)度降低，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度增大。

3 結(jié) 論

(1) Sanicro 25奧氏體耐熱鋼原始組織中存在少量孿晶和位錯，經(jīng)冷變形后組織中未產(chǎn)生新相；隨著冷變形量的增加，組織中的位錯密度增加，孿晶數(shù)量增多且出現(xiàn)部分孿晶彎曲現(xiàn)象，當(dāng)冷變形量為50%時，晶粒細(xì)化，晶界模糊。

(2) Sanicro 25鋼在反極圖z方向上的晶粒取向〈111〉，〈001〉為不穩(wěn)定取向，未變形時含有Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構(gòu)，當(dāng)冷變形量為20%時，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌膡112}〈110〉織構(gòu)和Brass-R{111}〈112〉穩(wěn)定織構(gòu)，當(dāng)冷變形量為50%時，Rotated cube{001}〈110〉織構(gòu)又開始增強(qiáng)，Goss{110}〈001〉和Brass-R{111}〈112〉織構(gòu)基本消失。隨著冷變形量增加，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉織構(gòu)的強(qiáng)度總體呈減弱趨勢。

(3) 隨冷變形量的增大，Sanicro 25鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度都逐漸增大，斷后伸長率下降，在變形過程中發(fā)生了明顯的加工硬化；其Hollomon模型中的加工硬化指數(shù)隨冷變形量增加而減小，加工硬化現(xiàn)象越發(fā)明顯，抵抗塑性變形能力減弱。