形變馬氏體對(duì)奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響

徐懿仁，尤景澤，孫永輝，劉 凱，劉 文

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 九江分公司，九江 332000；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

奧氏體不銹鋼具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和韌性以及優(yōu)異的耐腐蝕性能，在石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。研究表明，在冷加工過程中不銹鋼發(fā)生變形，使部分奧氏體組織發(fā)生形變，產(chǎn)生了馬氏體[1]，并且不銹鋼的變形量越大，馬氏體的相變量越大。馬氏體相變會(huì)導(dǎo)致不銹鋼的耐腐蝕性和延伸性降低，從而導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備失效。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)該問題展開了研究，研究方法普遍為通過不同的應(yīng)變速率和變形量對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行預(yù)拉伸，從而預(yù)制出形變馬氏體，但在一定程度上也間接影響了材料的力學(xué)性能。筆者選用在冷變形下更容易產(chǎn)生形變馬氏體的S30408、S30409、S32168奧氏體不銹鋼，在不同的低溫環(huán)境下對(duì)材料進(jìn)行相同變形量和應(yīng)變速率的預(yù)拉伸，預(yù)制出不同含量形變馬氏體的試樣，對(duì)比3種奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能，探索溫度對(duì)奧氏體不銹鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的影響，定量化表征了馬氏體轉(zhuǎn)變引發(fā)不同材料力學(xué)性能的變化。

影響馬氏體轉(zhuǎn)變的因素主要為奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性、變形量及應(yīng)變速率。按照奧氏體的穩(wěn)定性，奧氏體不銹鋼可分為穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼在冷變形下更容易產(chǎn)生馬氏體，如冷加工后，304鋼、304L鋼和321鋼易產(chǎn)生馬氏體，而316鋼、316L鋼不產(chǎn)生馬氏體。奧氏體不銹鋼中的Ni、N、C、Mn等奧氏體化元素越多，奧氏體就越穩(wěn)定；而Cr、Mo、Nb等鐵素體化元素在固溶體中具有擴(kuò)散作用，能阻止奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但是鐵素體化元素含量過多會(huì)促使奧氏體向馬氏體、鐵素體轉(zhuǎn)化。在相同條件下，變形量或應(yīng)變速率越大，奧氏體不銹鋼產(chǎn)生的形變馬氏體含量越高[2]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用S30408、S30409及S32168亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼鋼板進(jìn)行試驗(yàn)，3種奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。將3種鋼板加工成尺寸為20 mm×20 mm×800 mm(長(zhǎng)×寬×高)的矩形板條試樣。

力學(xué)性能測(cè)試中拉伸試樣的規(guī)格參照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中的R7試樣(平行段直徑為5 mm的棒狀拉伸試樣)；沖擊試樣的規(guī)格參照GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》中的V型缺口試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

1.2 試驗(yàn)方法

在-10，-40，-70，-100，-130 ℃及室溫(20 ℃)環(huán)境下，對(duì)矩形板條試樣進(jìn)行預(yù)拉伸試驗(yàn)，為了避免高應(yīng)變速率及大變形量對(duì)材料造成應(yīng)變強(qiáng)化，以0.000 25 s-1的應(yīng)變速率將試樣從原始狀態(tài)拉伸至10%的變形量，從而預(yù)制出形變馬氏體。奧氏體具有順磁性，馬氏體具有鐵磁性，因此采用Feritscope MP30型鐵素體測(cè)量?jī)x,通過測(cè)量導(dǎo)磁率的強(qiáng)弱來分析奧氏體不銹鋼中的形變馬氏體含量。

用鐵素體測(cè)量?jī)x對(duì)預(yù)拉伸后的試樣進(jìn)行測(cè)量后，在試樣中部進(jìn)行二次取樣，分別進(jìn)行拉伸、沖擊及硬度測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與原始材料測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析奧氏體不銹鋼中形變馬氏體含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)拉伸試驗(yàn)

將3種材料在不同溫度下進(jìn)行預(yù)拉伸，應(yīng)變速率為0.000 25 s-1，變形量為10%。預(yù)制出形變馬氏體后，測(cè)量試樣的形變馬氏體含量，結(jié)果如表2和圖1所示,可知低溫環(huán)境下奧氏體不銹鋼發(fā)生變形時(shí)，預(yù)拉伸溫度對(duì)形變馬氏體含量的影響較為明顯，3種材料的形變馬氏體含量均隨溫度的降低而增加。

表2 3種材料在不同溫度環(huán)境下進(jìn)行預(yù)拉伸后的形變馬氏體含量 %

圖1 3種材料不同預(yù)拉伸溫度與形變馬氏體含量的關(guān)系曲線

2.2 拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 228.1—2021，對(duì)不同形變馬氏體含量的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：3種材料隨著形變馬氏體含量的增加，材料的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均有明顯升高，但斷后伸長(zhǎng)率逐漸降低；當(dāng)3種材料的形變馬氏體含量超過5%時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，隨著形變馬氏體含量的增多，材料的斷后伸長(zhǎng)率降低更為明顯；當(dāng)3種材料的形變馬氏體含量超過30%時(shí)，材料的斷后伸長(zhǎng)率約為25%。由此可見，較高的形變馬氏體含量雖提升了材料的強(qiáng)度，但降低了材料的應(yīng)變?nèi)菹?，顯現(xiàn)出不銹鋼材料典型的應(yīng)變強(qiáng)化特征。

圖2 不同形變馬氏體含量試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 沖擊試驗(yàn)

按照GB/T 229—2020對(duì)不同形變馬氏體含量的試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：隨著形變馬氏體含量的增加，材料的沖擊吸收能量逐漸下降，證明了形變馬氏體會(huì)導(dǎo)致材料的韌性下降。

圖3 不同形變馬氏體含量試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3種材料在各個(gè)沖擊試驗(yàn)階段的能量測(cè)試結(jié)果如表3～5所示，可以看出彈性變形能量隨形變馬氏體含量的增加逐漸增加，說明材料發(fā)生彈性形變所需要的能量逐漸增加，形變馬氏體含量的增加使材料更難發(fā)生彈性變形，材料韌性逐漸降低；裂紋形成能量隨形變馬氏體含量的增加逐漸降低，說明隨著形變馬氏體含量的增加，沖擊試樣缺口處更容易產(chǎn)生裂紋，材料韌性逐漸降低；裂紋擴(kuò)展能量隨著形變馬氏體含量的增加逐漸降低，說明形變馬氏體含量的增加使沖擊試樣缺口處裂紋的擴(kuò)展速率變大，材料更容易斷裂。

表3 S30408鋼在各個(gè)沖擊試驗(yàn)階段的能量測(cè)試結(jié)果 J

2.4 硬度測(cè)試

按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)不同形變馬氏體含量的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)位于試樣的1/2厚度位置，3種材料的硬度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：隨著形變馬氏體含量的增加，材料的硬度也隨之增加；S30408鋼和S30409鋼的硬度增加較為明顯，形變馬氏體含量超過40%時(shí)，材料的表面硬度均達(dá)到了400 HV以上；S32168鋼中的形變馬氏體含量超過15%時(shí)，材料的硬度增長(zhǎng)趨于平緩，形變馬氏體含量為33.1%時(shí)，硬度達(dá)到了280 HV以上。由此可見，形變馬氏體會(huì)使材料發(fā)生硬化。

表4 S30409鋼在各個(gè)沖擊試驗(yàn)階段的能量測(cè)試結(jié)果 J

表5 S32168鋼在各個(gè)沖擊試驗(yàn)階段的能量測(cè)試結(jié)果 J

圖4 不同形變馬氏體含量試樣的硬度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，S30408鋼、S30409鋼、S32168鋼材料會(huì)在形變過程中產(chǎn)生形變馬氏體。材料在低溫環(huán)境下發(fā)生形變時(shí)，隨著溫度的降低，產(chǎn)生的形變馬氏體逐漸增多。拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試以及沖擊試驗(yàn)的結(jié)果表明，材料中形變馬氏體含量高，會(huì)使材料硬化且強(qiáng)度變大。沖擊試樣缺口處裂紋擴(kuò)展速率也隨著馬氏體含量的增加逐漸加快，導(dǎo)致材料的沖擊韌性下降。當(dāng)馬氏體含量超過5%時(shí)，3種材料的斷后伸長(zhǎng)率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限(40%)，并隨著形變馬氏體含量的增多，材料的斷后伸長(zhǎng)率降低更為明顯；當(dāng)馬氏體含量超過30%時(shí)，3種材料的斷后伸長(zhǎng)率僅約為25%。在奧氏體不銹鋼容器的生產(chǎn)和低溫使用中應(yīng)注意控制材料的變形量，減少變形過程中馬氏體的轉(zhuǎn)變，避免引起材料的性能劣化。