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      310S耐熱不銹鋼對高溫拉伸性能的影響

      文章作者:admin 人氣: 發表時間:2021-06-29 08:30:55


      WS-4無耗真空電弧爐生產的質量分數為0%、2%、4%Al的310S耐熱不銹鋼,壓力機和手動軋機冶煉,950不同Al含量的310S耐熱不銹鋼至1250,研究了熱軋板的高溫拉伸性能,并通過掃描電鏡觀察了拉伸斷裂。結果表明,不含Al和Al的2%合金的高溫抗拉強度約為210 MPa,但將Al含量提高到4%后,合金的熱強度顯著提高。在三種合金的拉伸部分可以看到明顯不同尺寸的細小凹坑,所有這些都是韌性晶間斷裂,因為合金在斷裂前經歷了較大的塑性變形。隨著Al含量的增加,合金裂紋中細小凹坑的比例增加。

      310S耐熱不銹鋼是Cr含量為25%,Ni含量為20%的高Cr-Ni奧氏體耐熱不銹鋼,是一種適用性較好的耐熱不銹鋼。它具有良好的高溫機械性能,同時在高溫氧化環境中具有良好的抗腐蝕性能,因此常用于爐管材料、石油化工、化肥廠重整裝置。

      高溫合金的強化方法包括奧氏體固溶強化、晶界強化和兩相強化。在Fe-Cr-Ni合金中加入Al、Ti、Nb、Ta等元素可使晶格畸變,提高固溶原子鍵的吸引力,提高再結晶溫度,延緩再結晶過程。它已廣泛用于鎳基高溫合金以提高合金的高溫性能。

      Al可以與Fe和Ni反應形成熱力學穩定且有序的金屬間化合物,可以防止位錯的滑移和上升。此外,由于鍵的結合力比較強,原子排列復雜,合金的自擴散系數低,可以獲得比較高的變形抗力,可以有比較高的溫度強度。這些微量元素吸附在晶界附近,引起局部合金化,改善晶界性能,減緩合金元素沿晶界的擴散過程,防止晶界處碳化物相和空穴的團聚和生長。強化谷物。

      奧氏體耐熱不銹鋼的抗氧化性與表面形成的氧化膜有很強的關系。通過在奧氏體耐熱不銹鋼中加入適量的Al元素,使鋼表面氧化膜的成分由Cr2O3變為Cr2O3和Al2O3。對Fe-Cr-Ni-Al合金的研究表明,Al2O3薄膜穩定性好、結合力強、壓縮性好、耐高溫、生長緩慢。在高溫和腐蝕環境下對材料本身有長期的保護作用,大大提高了合金的抗氧化性。必須添加足夠的Al才能獲得足夠的Al氧化膜,并且根據溫升、延長使用時間和環境影響(如水蒸氣氣氛的變化、負載力的增加等)需要添加Al。如果使用的材料不同,應根據使用環境和使用壽命添加適當的元素。本課題組前期研究了鑄造310S鋼的抗壓性能和Al元素對熱軋組織的影響、作用機理和高溫抗氧化性能的影響。

      本文研究了不同Al含量的310S熱軋鋼板的高溫拉伸性能,通過識別Al元素對高溫拉伸性能的影響規律和機制,提供了理論依據。含鋁310S不銹鋼薄板的研究與制備

      1 測試過程

      根據表1設計的成分稱量各種元素的粉末?;旌蠒r,放入QM-BP行星式球磨機,以Al2O3陶瓷球為球磨介質,球磨機轉速150r/min左右,混合8小時。將混合均勻的粉末用壓機壓制成20mm50mm的圓柱體。熔化電流為250A。爐中的樣品用氬氣保護。壓縮氣缸放置在WS-4 上。 - 在消耗性真空電弧中熔化。鋼水在冷凍水坩堝中存放2分鐘后,立即關弧,在銅模中凝固,重熔合金46次。經過多次重熔,組織致密,元素分布均勻。

      對熔煉的合金塊固體進行拋光以去除表面氧化皮和缺陷。加熱爐保溫時間30-40分鐘,熱壓坯采用帶千斤頂的專用夾具,坯溫度1200,坯壓力60~80MPa,坯料變形約60% .

      拉坯后,試樣進行線切割,加工成30mm30mm4mm的塊料,然后用手動軋機熱軋,試樣軋制溫度1200,保溫時間5分鐘,軋制16-20道次后,總軋制后的應變約為40%,即3mm厚的板樣。軋制后,將合金在400 C 下保溫2 h,然后進行去應力退火,其目的是消除試樣在坯料和軋制過程中產生的內應力。

      使用EPMA-1600 電子探頭,No. 3種合金元素分析結果見表2。除Al元素含量不同外,合金1和2中其他元素的含量沒有變化。

      按照國家標準GB/T 4338-1995 《金屬材料高溫拉伸試驗》的技術要求,將不同Al含量的310S耐熱不銹鋼板加工成如圖1所示的高溫拉伸試樣。使用島津AT-10試驗機進行高溫拉伸試驗。最大載荷100kN,拉伸速度0.3mm/min,拉伸溫度800。對各參數的合金進行3次拉伸試驗,根據載荷位移曲線計算相應的應力應變值,計算平均值得到應力應變(-)曲線。繪制的-曲線決定了各合金成分的屈服強度、抗拉強度和伸長率。

      使用JSM-6700F 掃描電子顯微鏡觀察每個裂縫的形態。

      2 測試結果

      2.1 高溫拉伸性能

      圖2為不同Al含量的310S耐熱不銹鋼板在800時的應力-應變曲線??梢?,所有合金都具有良好的塑性變形性能。含Al和不含Al的質量分數為2%的合金的高溫強度明顯低于質量分數為4%的Al合金,而延伸率則遠高于后者。

      圖3為不同Al含量的310S耐熱不銹鋼板在800下的屈服強度和抗拉強度。含鋁和不含鋁的質量分數為2% 的310S 耐熱不銹鋼板在800C 下的屈服強度分別為163 和162 MPa。當Al的質量分數增加到4%時,合金的高溫屈服強度大大提高到229 MPa。不含Al和Al的質量分數為2%的310S耐熱不銹鋼板在800時的抗拉強度基本不變,分別為213 MPa和210 MPa。當Al的質量分數增加到4%時,合金的抗拉強度增加到273 MPa??梢钥闯?,當Al的質量分數為2%以下時,合金的高溫強度幾乎不受影響,隨著Al含量的不斷增加,合金的高溫強度顯著提高。

      圖4為不同Al含量的310S耐熱不銹鋼板在800下的延伸率。當Al含量增加時,合金的伸長率先增大后減小,當Al的質量分數為2%時,伸長率最大為36%。含鋁和不含鋁的質量分數為4% 的合金的伸長率分別為28.2% 和25.5%。以上結果表明,Al的質量分數為2%時,可以提高310S的高溫塑性,但對高溫抗蠕變性沒有幫助,而Al的質量分數為4%時,有助于改善它。耐高溫蠕變。

      2.2 高溫拉伸斷口形貌觀察

      圖5為不同Al含量的310S耐熱不銹鋼板在800拉伸后的斷口形貌。三種合金在晶界處均表現出明顯的細小凹坑,合金在斷裂前經歷了較大的塑性變形,三種合金的高溫斷裂方式均為晶間韌性斷裂。

      3 討論

      添加Al元素后,在鑄態狀態下,Al原子固溶于奧氏體基體中??梢钥闯?,基體中僅存在少量的Cr7C3析出物,未發生Al元素富集現象,說明鑄態未形成Al4C3析出物。在高溫下軋制和軋制試樣會嚴重扭曲晶格,降低鋁原子在奧氏體基體中的溶解度,并從基體中析出過量的鋁原子。由于奧氏體耐熱不銹鋼中Ni的質量分數較低,約為20%,Al原子易與C原子結合,不形成(Fe,Ni)Al金屬間化合物,而是富Al粒狀Al4C3相析出.以往的研究表明,Al含量越高,富集現象越嚴重。 Al4C3 沉淀物的形成大大減少了可用于形成Cr7C3 沉淀物的C 原子數量。

      從顯微組織可以看出,三種合金組織致密,元素分布均勻。與第二種合金相比,第一種合金的高溫強度基本沒有變化。與1號合金相比(圖6(a),白色是由Fe、Ni、Cr組成的基體,黑色相是由Cr和C組成的Cr7C3),黑色相是聚集的Cr7C3。 不。 2合金,如圖7(a)(基體+白色粒狀Cr7C3+黑色大粒狀Al4C3+黑色粒狀(Fe,Ni)Al金屬間化合物),Cr7C3尺寸雖然明顯增加,但數量減少顯著,表明形貌呈斷續鏈狀分布,基體中形成一定量的富鋁析出相Al4C3。添加Al元素后,Cr7C3的量減少,對位錯遷移和晶間滑移的干擾作用也減弱,減弱了析出物Cr7C3的析出強化作用,強度顯著降低,但Al添加細小且穩定分散的Al4C3顆粒(質量分數)約2.7%)在基體的晶界處形成。這些Al4C3 晶粒通過防止位錯移動和晶界滑動來補償Cr7C3 的高電阻。由于位錯的干擾作用,即使添加2%的Al,材料的高溫強度基本不變。當Al的質量分數增加到4%(合金3)時,合金3的高溫強度明顯高于合金1和合金2,Cr7C3含量進一步降低,Al4C3含量顯著降低。增加(圖8)。

      不同Al含量合金的X射線衍射圖見如圖9。所有合金都是奧氏體基體。奧氏體耐熱不銹鋼在高溫下會發生拉伸變形。在載荷作用下均勻變形過程中,合金缺陷和局部應力集中出現微孔,并且這些微孔繼續形成和生長。新的微孔在該區域形成并生長。逐漸增長的孔隙相遇并聚結形成小裂紋,并在裂紋發生的地方產生新的應力集中。在這個過程中,由于溫度高,晶界粘稠,原子的遷移率比較高。微孔也處于熱活化狀態,在加載過程中微孔繼續相互聚結和聚集,增加了微孔的數量并增加了它們的體積。

      當應力超過材料的屈服強度時,310S耐熱不銹鋼發生塑性變形。在應力作用下,位錯在夾雜物和沉積物周圍堆積,沉積物顆粒極大地阻礙了位錯的運動,在夾雜物與金屬的界面處產生了大量額外的微孔。位錯不斷產生新的位錯,滑移面上的位錯不斷地被推入微孔中,使微孔迅速擴大生長。在高溫下,晶界和沉積物對位錯的阻擋作用減弱,滑移面上的位錯速率加快。微孔的擴張速度加快,合并生長形成較大的微孔。相對而言,Al4C3 顆粒的熱穩定性不如Cr7C3(通常Al4C3 顆粒在1400C 下是穩定的)。在高溫變形過程中,Al4C3顆粒對位錯的干擾作用遠大于Cr7C3顆粒對位錯的干擾作用。

      合金的塑性隨著Al含量的增加先增大后減小,質量分數為2%的310S合金的高溫塑性較不含Al的310S有所提高。由于合金基體組織中碳化物(Cr7C3晶粒)的尺寸比不含Al的合金大,粗大的沉積物有助于合金的變形。當Al的質量分數增加到4%時,即使碳化物尺寸變大,合金中Al4C3的含量也會增加。細小的析出物強化了奧氏體基體并影響鋼的動態再結晶。產生分布的細小沉淀相。它會導致應力集中和晶間斷裂。含Al的310S耐熱不銹鋼的延伸率不隨Al含量的增加而增加,但在Al的質量分數為2%時達到最大值。

      4。結論

      (1)與不含Al的310S耐熱不銹鋼相比,質量分數為2%的Al的高溫強度基本沒有變化,但伸長率增加。

      (2)Al含量為4%的310S合金的高溫強度大大提高,塑性降低。



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