房 菲 黃 健 李靜媛

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

氮含量對(duì)18Mn18CrN鋼高溫性能的影響

房 菲1黃 健1李靜媛2

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

通過熱模擬試驗(yàn)研究了不同試驗(yàn)溫度下，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.07%、0.34%、0.44%和0.72%的 18Mn18CrN鋼的斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。結(jié)果表明：(1)18Mn18CrN鋼的斷面收縮率隨著試驗(yàn)溫度的升高而增大，但當(dāng)溫度高于1 200 ℃時(shí)，略有下降；(2)氮含量增加，鋼具有高塑性的溫度區(qū)變窄，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.72%的鋼，其具有最佳力學(xué)性能的溫度區(qū)縮小至1 150～1 200 ℃；(3)隨著試驗(yàn)溫度的升高，18Mn18CrN鋼的抗拉強(qiáng)度均呈線性下降的趨勢，且氮含量越高，其高溫抗拉強(qiáng)度對(duì)溫度的變化越敏感；(4)氮含量增加，18Mn18CrN鋼的斷面收縮率呈“V”形趨勢變化。

18Mn18CrN鋼 氮含量 高溫塑性 試驗(yàn)溫度

高氮奧氏體不銹鋼因其節(jié)鎳、高強(qiáng)度、耐點(diǎn)腐等特點(diǎn)，在國防、船舶、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，高氮奧氏體不銹鋼在熱加工過程中容易開裂，熱成形性不良，嚴(yán)重影響了高氮鋼的成品加工及其使用性能[1]。因此，高氮奧氏體不銹鋼脆- 韌轉(zhuǎn)變得到了眾多學(xué)者的關(guān)注[2- 10]。姜周華等[11]指出，鑄態(tài)電渣重熔18Mn18CrN鋼的高溫塑性曲線具有高溫脆性區(qū)(1 250～1 345 ℃)、高溫塑性區(qū)(1 050～1 250 ℃)和二次脆性區(qū)(低于1 050 ℃)，高溫可鍛區(qū)間窄。崔光洙等[12]也指出，不銹鋼中加入銅元素后，其熱加工性能受到影響，容易發(fā)生熱脆性。王長軍等[3]指出，氮含量的增加，不僅使鋼的斷面收縮率下降，而且使鋼獲得最大斷面收縮率的溫度有所提高，0Cr18Ni9N鋼的最佳高溫塑性溫度區(qū)間為1 150～1 250 ℃。李志斌等[4]指出，在1 100 ℃時(shí)鋼的塑性最差，主要是因?yàn)樵谀踢^程中沿晶界析出的CrN相在加熱過程中沒有全部固溶，且MnS相沿晶界析出。但目前高氮鋼的高溫塑性溫度區(qū)間研究結(jié)果不一致，且多集中于研究某一特定氮含量的鋼在高溫變形過程中高溫塑性隨溫度的變化，研究結(jié)果缺乏規(guī)律性。

本文以18Mn18CrN鋼作為研究對(duì)象，通過熱模擬試驗(yàn)研究了溫度、氮含量對(duì)18Mn18CrN鋼高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律，分析了不同氮含量鋼的斷裂機(jī)制，探明了18Mn18CrN鋼高溫塑性的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為常壓高頻感應(yīng)熔煉爐冶煉的18Mn18CrN鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用Gleeble- 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度為950～1 250 ℃，溫度間隔為50 ℃。試驗(yàn)方案：首先以10 ℃/s升溫到目標(biāo)溫度以下50 ℃，然后以5 ℃/s升溫到目標(biāo)溫度保溫5 min后，以1 s- 1的應(yīng)變速率拉伸直至斷裂，斷裂后水冷。采用鐵素體測量儀測量拉伸斷裂后試樣的鐵素體含量。

采用掃描電鏡(SEM)觀察試驗(yàn)鋼的斷口及析出相形貌，用電子探針面掃描儀(EPMA)描述析出相及基體的元素分布，分析其斷裂機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)18Mn18CrN鋼高溫性能的影響

對(duì)表1中的1～4號(hào)試驗(yàn)鋼進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，其高溫塑性及高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化如圖1所示。由圖1(a)可知，1～4號(hào)試驗(yàn)鋼的斷面收縮率隨溫度變化的趨勢相近，試驗(yàn)溫度為950～1 200 ℃時(shí)，斷面收縮率均隨溫度的升高而不斷升高，但升高幅度略有不同。1號(hào)鋼在950～1 000 ℃拉伸試驗(yàn)時(shí)，斷面收縮率由39%緩慢增加至41.9%，呈現(xiàn)平臺(tái)期；而在1 000～1 200 ℃拉伸試驗(yàn)時(shí)，斷面收縮率由41.9%迅速升高至91.4%。隨氮含量增加，試驗(yàn)鋼中平臺(tái)期溫度范圍擴(kuò)大，2、3號(hào)試驗(yàn)鋼的平臺(tái)期溫度范圍升高至1 050 ℃。隨著氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至0.72%，4號(hào)試驗(yàn)鋼的平臺(tái)期溫度范圍擴(kuò)大至950～1 150 ℃。即對(duì)于1～4號(hào)試驗(yàn)鋼，雖然斷面收縮率隨溫度變化趨勢相近，但是隨著氮含量增加，鋼的高塑性區(qū)溫度區(qū)間變窄，特別是18Mn18Cr 0.72N鋼，其最佳變形溫度區(qū)間縮小至1 150～1 200 ℃。當(dāng)試驗(yàn)溫度超過1 200 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的斷面收縮率略有降低，如18Mn18Cr0.07N 鋼為91.4%(1 200 ℃)、83.7% (1 250 ℃)；18Mn18C r0.72N 鋼為 64.7% (1 200 ℃)、60.9% (1 250 ℃)。這是因?yàn)闇囟冗^高導(dǎo)致材料出現(xiàn)過燒現(xiàn)象所致。

由圖1(b)可知，隨著溫度的升高，試驗(yàn)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度呈線性下降趨勢。這是因?yàn)閵W氏體相中的間隙碳、氮原子易與刃位錯(cuò)交互作用，形成柯氏氣團(tuán)。而柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎阻力屬于短程力，而溫度升高引起原子熱振動(dòng)有助于克服這種阻力，所以這種阻力是對(duì)溫度敏感的阻力，會(huì)隨著溫度升高而減小。并且隨著溫度的升高加工硬化效應(yīng)減弱，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化起主要作用。因此，隨著溫度的升高，試驗(yàn)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度呈線性趨勢下降。對(duì)含0.07%、0.34%、0.72%N(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的18Mn18CrN 鋼的高溫抗拉強(qiáng)度與拉伸試驗(yàn)溫度進(jìn)行線性擬合，由圖1中擬合結(jié)果可知，當(dāng)?shù)|(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.07%增加至0.72%時(shí)，高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低的程度增強(qiáng)，高氮含量試驗(yàn)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度對(duì)溫度的變化更敏感，即每增加100 ℃，18Mn18Cr 0.72N鋼的高溫抗拉強(qiáng)度降低50.7 MPa，18Mn18Cr 0.34N鋼的高溫抗拉強(qiáng)度降低47.1 MPa，而18Mn18Cr 0.07N鋼的高溫抗拉強(qiáng)度降低了29.3 MPa。

圖1 溫度對(duì)不同含氮量的18Mn18CrN鋼高溫塑性(a)及抗拉強(qiáng)度(b)的影響

2.2 氮含量對(duì)18Mn18CrN鋼高溫性能的影響

圖2為18Mn18CrN試驗(yàn)鋼的斷面收縮率及高溫抗拉強(qiáng)度隨氮含量的變化。由圖2(a)可知，隨著氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.07%增加至0.34%，試驗(yàn)鋼的斷面收縮率下降；而當(dāng)?shù)|(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至0.44%時(shí)，試驗(yàn)鋼的斷面收縮率迅速升高；當(dāng)?shù)|(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至0.72%時(shí)，鋼的斷面收縮率又略下降。含0.07%N鋼具有較高的斷面收縮率，為39%～80.2%(試驗(yàn)溫度950～1 150 ℃)。而0.34%N鋼的斷面收縮率最小，僅為20.8%(1 000 ℃)。

圖2 氮含量對(duì)不同試驗(yàn)溫度下18Mn18CrN鋼的塑性(a)及抗拉強(qiáng)度(b)的影響

圖3為2號(hào)和3號(hào)鋼在1 000 ℃拉伸后斷口組織的掃描圖。由圖3(a)可知，2號(hào)鋼斷口中含有少量的韌窩，其斷裂方式為脆性+韌性混合斷裂，主要以脆性為主，裂紋源集中于奧氏體和鐵素體兩相的交界處。其顯微組織由奧氏體和鐵素體兩相組成，由于奧氏體和鐵素體變形協(xié)調(diào)性不一致，因此在拉伸變形過程中奧氏體和鐵素體相界處為裂紋源，易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的塑性較低。同樣由圖3(a)可知，斷口中存在少量韌窩，韌窩的產(chǎn)生是因?yàn)榇颂帪橥泼婊虿煌品较蛏闲纬傻幕茙У南嘟惶?，該處在?yīng)力作用下產(chǎn)生微孔，繼而形成韌窩狀。

18Mn18Cr0.44N鋼(3號(hào)鋼)的高溫塑性明顯高于18Mn18Cr 0.34N鋼，斷面收縮率為41.2%～55.0%(試驗(yàn)溫度950～1 150 ℃)。由圖3(b)可知，3號(hào)鋼斷口上布滿了韌窩，是典型的韌性斷裂特征。裂紋源多因韌窩孔在變形過程中聚集長大造成。鑄態(tài)18Mn18Cr 0.44N鋼顯微組織由奧氏體相和少量的σ相組成，但根據(jù)前期研究結(jié)果，18Mn18Cr 0.44N鋼中σ相的固溶溫度為800 ℃左右，因此當(dāng)試驗(yàn)溫度為1 000 ℃時(shí)，3號(hào)鋼的顯微組織僅由奧氏體相組成。由于奧氏體塑性好，在應(yīng)力作用下(111)面上的位錯(cuò)滑移、層錯(cuò)擴(kuò)展，釋放了應(yīng)力，在宏觀上表現(xiàn)為試驗(yàn)鋼具有較好的均勻塑性變形能力。由于奧氏體具有較強(qiáng)的加工硬化效應(yīng)，隨著拉伸形變的進(jìn)行，在不同滑移面或不同滑移方向上形成的滑移帶相交處，因應(yīng)力集中而產(chǎn)生微孔，繼而擴(kuò)大成為微裂紋，斷裂時(shí)留下蜂窩狀的特征。同樣由圖3(b)可知，韌窩底部存在球狀物質(zhì)，對(duì)其采用能譜儀進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3(c)所示。除基體元素Cr、Mn、Fe外，該物質(zhì)含有O、S、Si、Al等元素，由此可推斷該球狀物質(zhì)可能為富含O、S、Al的夾雜物。

圖3 18Mn18Cr 0.34N(a)和18Mn18Cr 0.44N(b)鋼1 000 ℃拉伸后的斷口掃描圖及鋼中球狀物的EDS

隨著氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.44%繼續(xù)增加至0.72%，4號(hào)鋼的斷面收縮率略微下降(見圖2(a))。由鐵素體測量結(jié)果可知，鑄態(tài)3號(hào)鋼中鐵素體體積分?jǐn)?shù)為0.27%，試驗(yàn)鋼主要由奧氏體和少量σ、δ相組成。鑄態(tài)4號(hào)鋼的鐵素體體積分?jǐn)?shù)為0，鋼由單相奧氏體和少量Cr2N相組成。

根據(jù)3號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)鋼的Fe-N偽二元相圖[13]可知，3號(hào)鋼中σ相完全溶解的溫度約為800 ℃，而4號(hào)鋼中Cr2N相完全溶解的溫度約為1 000 ℃。由于熱模擬試驗(yàn)的溫度為950～1 150 ℃，因此在拉伸試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)3號(hào)鋼中的析出相完全溶解，僅由單相奧氏體組成，塑性較好。而拉伸試驗(yàn)溫度為950～1 050 ℃時(shí)，4號(hào)鋼中會(huì)存在少量未溶解的析出相，因此塑性值較低約為40%。而當(dāng)溫度升高至1 100 ℃和1 150 ℃時(shí)，由于高溫軟化作用及析出相的溶解，使得4號(hào)鋼的斷面收縮率升高至46.2%。

此外，當(dāng)溫度為1 150 ℃時(shí)，3號(hào)和4號(hào)鋼均由單相奧氏體組成，但由圖2(a)可知，3號(hào)鋼的斷面收縮率高于4號(hào)鋼(3鋼55%，4號(hào)鋼46.2%)。產(chǎn)生該現(xiàn)象是因?yàn)楹摰母邷剀浕瘷C(jī)制主要是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而增加氮含量會(huì)抑制試驗(yàn)鋼再結(jié)晶的程度，增加完全再結(jié)晶的時(shí)間及溫度。圖4為18Mn18Cr 0.44N(3號(hào))和18Mn18Cr 0.72N(4號(hào))鋼在1 150 ℃拉伸斷裂后斷面的縱向組織。由圖4(a)可以看出，3號(hào)鋼的再結(jié)晶程度較高，晶粒更細(xì)小且尺寸均勻。而由圖4(b)可知，4號(hào)鋼在該溫度拉伸變形時(shí)，再結(jié)晶的程度較弱，僅有極少部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶，晶粒多表現(xiàn)為原鑄態(tài)的晶粒尺寸，且不均勻。因此，與3號(hào)鋼相比，在拉伸變形溫度相同時(shí)，4號(hào)鋼的高溫塑性略低。

圖4 18Mn18Cr 0.44N(a)和18Mn18Cr 0.72N(b)鋼經(jīng)1 150 ℃拉伸試驗(yàn)后斷口的縱向組織

圖2(b)為試驗(yàn)鋼高溫抗拉強(qiáng)度與氮含量的關(guān)系。由圖可知，隨著氮含量增加，流變應(yīng)變呈線性趨勢增加。這主要是因?yàn)榈幼鳛殚g隙原子，存在于奧氏體八面體間隙而造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度。對(duì)試驗(yàn)溫度為950、1 050、1 150 ℃試驗(yàn)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度與氮含量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，氮原子的固溶強(qiáng)化效果明顯減弱，每增加0.1%N，在950 ℃拉伸試驗(yàn)時(shí)鋼的抗拉強(qiáng)度將降低22.1 MPa，而在1 150 ℃拉伸試驗(yàn)時(shí)則降低15.3 MPa。這是因?yàn)楣倘艿訉?duì)位錯(cuò)的釘扎力為短程力，該力受溫度影響較大，當(dāng)溫度升高時(shí)，氮原子的釘扎作用減弱。因此，當(dāng)溫度較高時(shí)，隨著氮含量增加，鋼的高溫抗拉強(qiáng)度增加幅度較小。

以上分析表明，氮含量影響試驗(yàn)鋼的斷面收縮率及高溫抗拉強(qiáng)度。隨著氮含量增加，試驗(yàn)鋼的斷面收縮率先降低，而當(dāng)試驗(yàn)鋼(3號(hào)鋼)由單相組成時(shí)斷面收縮率又迅速升高至較高值，隨著氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至0.72%時(shí)，由于氮抑制奧氏體晶粒的再結(jié)晶及鋼中存在少量未溶解的析出相，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的斷面收縮率又略微下降。隨著氮含量增加，試驗(yàn)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度呈線性趨勢增加。

3 結(jié)論

(1)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.07%、0.34%、0.44%和0.72%的18Mn18CrN鋼的斷面收縮率隨溫度升高而逐漸升高，但拉伸變形溫度超過1 200 ℃時(shí)略有下降。且隨著氮含量的增加，鋼的高塑性區(qū)溫度區(qū)間變窄，當(dāng)?shù)|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.72%時(shí)，試驗(yàn)鋼的最佳拉伸變形溫度區(qū)縮小至1 150～1 200 ℃。

(2)隨著拉伸溫度的升高，18Mn18CrN鋼的高溫抗拉強(qiáng)度均呈線性下降趨勢。但隨著氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.07%增加至0.72%，高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低的程度增強(qiáng)，高氮含量試驗(yàn)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度對(duì)溫度變化更敏感。

(3)隨著氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.07%增加至0.72%，18Mn18CrN鋼的斷面收縮率呈“V”形趨勢變化。當(dāng)?shù)|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34%時(shí)，試驗(yàn)鋼的斷面收縮率值最小，其高溫?cái)嗔褭C(jī)制為脆性+韌性混合斷裂。

(4)隨著氮含量增加，18Mn18CrN鋼的流變應(yīng)變呈線性增加趨勢，但隨著拉伸溫度升高，高溫抗拉強(qiáng)度增加的幅度減小。每增加0.1%N，在950 ℃拉伸試驗(yàn)時(shí)鋼的抗拉強(qiáng)度將降低22.1 MPa，而在1 150 ℃拉伸試驗(yàn)時(shí)則降低15.3 MPa。

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收修改稿日期：2016- 06- 28

Influence of Nitrogen Content on High Temperature Properties of 18Mn18CrN Steel

Fang Fei1Huang Jian1Li Jingyuan2

(1. China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd., Beijing 100840, China;2. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Mechanical properties such as reduction of area and tensile strength of 18Mn18CrN steels containing by weight 0.07%,0.34%,0.44% and 0.72% nitrogen,respectively, at different test temperatures were investigated by a thermal simulation experiment. The results were outlined as follows: (1) With the increase of test temperature, so too did the reduction of area of the 18Mn18CrN steels, but slightly reduced at temperatures over 1 200 ℃; (2)As the nitrogen content became higher, the temperature range in which the steels exhibited high plasticity narrowed, and the temperature range in which the 18Mn18Cr 0.72N steel possessed the optimum mechanical properties narrowed to 1 150 to 1 200 ℃; (3) With the increase of test temperature, the tensile strength of 18Mn18CrN steels decreased monotonically, and the higher nitrogen content, the more sensitive to variation in temperature the high temperature tensile strength of steels was; (4) With the increase of nitrogen content, the reduction of area of 18Mn18CrN steels changed in the form of “V” .

18Mn18CrN steel，nitrogen content，high temperature plasticity，test temperature

國家自然科學(xué)基金(No.51174026)資助項(xiàng)目

房菲，女，博士，主要從事高氮奧氏體不銹鋼的組織及性能研究，Email:ustb_fangfei@163.com