侯力強(qiáng) 孟文妍 盧文靜 張小慶 白文峰 許佩敏

熱處理對(duì)316L不銹鋼編織網(wǎng)組織及力學(xué)性能的影響

侯力強(qiáng) 孟文妍 盧文靜 張小慶 白文峰 許佩敏

(西安菲爾特金屬過(guò)濾材料有限公司，西安710201)

對(duì)316L不銹鋼編織網(wǎng)分別進(jìn)行1 080℃和1 350℃退火處理，將原始狀態(tài)和退火后絲網(wǎng)的纖維組織、力學(xué)性能和斷裂方式進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)高溫退火處理后晶粒明顯增大，搭接點(diǎn)出現(xiàn)了熔合焊接現(xiàn)象，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大幅降低，斷后伸長(zhǎng)率有所提高，宏觀斷裂方式由正斷轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛唷?/p>

熱處理 不銹鋼編織網(wǎng) 性能

0 序 言

316L不銹鋼由于具有良好的耐腐蝕和綜合力學(xué)性能廣泛的應(yīng)用于化工、石油、電力等領(lǐng)域。常用的316L不銹鋼編織網(wǎng)是采用相互垂直排列的金屬絲材，在織機(jī)上按一定規(guī)律交織而成的金屬織物，簡(jiǎn)稱金屬網(wǎng)。織機(jī)有一個(gè)重要的部件稱為鋼筘，金屬絲網(wǎng)網(wǎng)面上與網(wǎng)邊平行或與鋼筘垂直的方向稱為經(jīng)向，經(jīng)向的金屬絲稱為經(jīng)絲，與其垂直方向稱為緯向，相應(yīng)的金屬絲稱為緯絲。

316L不銹鋼編織網(wǎng)通常作為多層金屬燒結(jié)網(wǎng)的組成部分，經(jīng)過(guò)特殊的疊層壓制，在保護(hù)性氣氛或者真空高溫?zé)Y(jié)、加壓、軋制而成，可應(yīng)用于如氣－固、液－固等多種過(guò)濾分離領(lǐng)域［1－3］。由于編織網(wǎng)中絲材通常采用單絲拉拔法制備而成，存在較大的加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致直徑較粗，網(wǎng)面不易直接加工成型。一般采用高溫退火工藝消除應(yīng)力，然后通過(guò)高溫?zé)Y(jié)使細(xì)網(wǎng)和粗網(wǎng)間形成焊點(diǎn)，增加結(jié)合強(qiáng)度。目前尚未有關(guān)于熱處理對(duì)編織絲網(wǎng)性能的研究報(bào)道，文中根據(jù)生產(chǎn)常用的退火工藝，研究單層絲網(wǎng)高溫退火后組織、力學(xué)性能以及斷裂方式的變化情況，為生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用孔徑為74 μm、絲徑為50 μm的316L不銹鋼編織平紋網(wǎng)，為多層金屬燒結(jié)網(wǎng)中的控制層，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)使用真空爐進(jìn)行退火處理，退火工藝為:升溫速率10℃/min，1 080℃和1 350℃分別保溫3 h，隨爐降溫至800℃后采用氬氣氣淬至室溫。將原始狀態(tài)、1 080℃和1 350℃退火的3種絲網(wǎng)切取3 cm×3 cm的方形試樣，用鑲樣粉對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行鑲嵌，在金相砂紙上對(duì)截面拋光處理，采用三氯化鐵－鹽酸水溶液腐蝕3～5 s，沖洗后使用奧林巴斯金相顯微鏡進(jìn)行晶粒組織觀察。

圖1 316L不銹鋼編織平紋網(wǎng)

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

由于絲網(wǎng)的厚度小于0．1 mm，沒有可供參考的國(guó)標(biāo)，為保證足夠的平行長(zhǎng)度，拉伸試樣尺寸統(tǒng)一為15 cm×3 cm(經(jīng)向×緯向)的非標(biāo)準(zhǔn)矩形試樣，用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行經(jīng)向拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min，采用掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2．1 組織觀察

圖2為316L不銹鋼編織網(wǎng)原始狀態(tài)、1 080℃和1 350℃退火后截面金相組織。圖2a可以看出由于絲材采用拉拔工藝制備而成，原始絲網(wǎng)的晶粒細(xì)小，邊界不規(guī)則，晶粒尺寸在5～10 μm之間，原始絲網(wǎng)采用物理編織方法加工而成，經(jīng)線和緯線的接觸面屬于簡(jiǎn)單的物理搭接;圖2b為原始絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)1 080℃退火后的組織形貌，相比于原始組織，退火后絲網(wǎng)的晶粒出現(xiàn)明顯長(zhǎng)大，整個(gè)圓形截面幾乎為單一的晶粒，平均晶粒尺寸大于20 μm，從長(zhǎng)絲的截面可以看出晶粒邊界規(guī)則，內(nèi)部有島狀碳化物析出，屬于等軸狀?yuàn)W氏體組織，由于高溫使得原子擴(kuò)散加劇，經(jīng)線和緯線搭接點(diǎn)處的細(xì)小晶粒經(jīng)過(guò)吞并－融合的方式長(zhǎng)大為尺寸粗大的單一晶粒，在接觸面形成焊接點(diǎn)將經(jīng)緯線連接起來(lái);圖2c為經(jīng)過(guò)1 350℃退火后絲網(wǎng)晶粒更加粗大，晶粒內(nèi)部孿晶相對(duì)明顯，如圖2c所示，晶粒內(nèi)部的碳化物由于高溫固溶而消失，經(jīng)緯線搭接處的接觸面積變大。

圖2 絲網(wǎng)剖面組織

2．2 拉伸結(jié)果

沿經(jīng)向?qū)?種絲網(wǎng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到單位寬度下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及最大負(fù)荷下的斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。設(shè)試驗(yàn)在某一伸長(zhǎng)率下的拉伸力為 R，有效寬度為 b(文中試驗(yàn) b=3 mm)，得到單位寬度不同退火溫度下絲網(wǎng)的拉伸力Rb=R/b和斷后伸長(zhǎng)率A的關(guān)系曲線如圖3所示。

表2 3種絲網(wǎng)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同退火溫度下絲網(wǎng)的拉伸曲線

由于原始絲網(wǎng)晶粒尺寸d相對(duì)較小且絲材受加工硬化的作用，根據(jù)霍爾－佩奇公式:

式中，ReL為屈服強(qiáng)度;R為單個(gè)位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)的阻力;κ為常數(shù);d為平均晶粒尺寸。原始狀態(tài)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為65 N·mm－1和91 N·mm－1，遠(yuǎn)高于經(jīng)過(guò)高溫退火的絲網(wǎng)，但絲材的拉伸力在到達(dá)最高點(diǎn)后驟降為零，即出現(xiàn)了瞬斷現(xiàn)象，這是由于經(jīng)向絲材幾乎同時(shí)斷裂所致。

絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)1 080℃高溫退火處理后，由于原始加工硬化的消除和晶粒成倍的長(zhǎng)大，拉伸強(qiáng)度比原始絲網(wǎng)有了大幅度的降低，并且拉伸變形集中在粗大的晶粒內(nèi)進(jìn)行，相應(yīng)每個(gè)晶粒中塞積的位錯(cuò)相對(duì)變多，應(yīng)力集中引起的開裂使得絲材在斷裂之前承受的變形量減小，導(dǎo)致最大載荷處的斷后伸長(zhǎng)率相比于原始絲網(wǎng)(斷后伸長(zhǎng)率為16．36%)增加量較少，只有19．43%，但裂紋產(chǎn)生后經(jīng)歷了大約3%的變形后才完全斷裂，沒有發(fā)生絲材的瞬斷。隨著退火溫度升高，絲網(wǎng)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度稍有下降，斷后伸長(zhǎng)率有所增加。

2．3 拉伸斷口形貌

通過(guò)對(duì)3種絲網(wǎng)拉伸斷口進(jìn)行SEM觀察，斷口形貌如圖4～6所示。由圖4a可以看出，原始絲網(wǎng)宏觀斷口平直，屬于正斷，類似于實(shí)體材料中的脆斷，和拉伸試驗(yàn)中應(yīng)力“跌落”現(xiàn)象一致;原始狀態(tài)的微觀斷口如圖4b所示，斷口由長(zhǎng)短交替規(guī)則排列的經(jīng)絲組成，類似于實(shí)體材質(zhì)中鋸齒狀斷口，由于絲材加工硬化程度較高，斷絲沒有發(fā)生明顯的頸縮，這種斷口形貌可以用裂紋偏轉(zhuǎn)(Crack deflection)來(lái)解釋［4］:當(dāng)主裂紋的擴(kuò)展在某一方向傳播時(shí)由于各種原因在前方路徑上產(chǎn)生了較大的阻力發(fā)生路徑偏轉(zhuǎn)或出現(xiàn)分支，向更易產(chǎn)生裂紋的方向擴(kuò)展，而正應(yīng)力方向決定了裂紋擴(kuò)展路徑回到主裂紋方向。通過(guò)對(duì)斷裂點(diǎn)和相鄰垂直方向上的緯絲距離進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，短絲的距離與相鄰經(jīng)緯絲材搭接點(diǎn)的距離相同(大約120 μm)，而長(zhǎng)絲由于塑性變形相對(duì)較大，長(zhǎng)度為短絲長(zhǎng)度的兩倍多一點(diǎn)，同樣屬于經(jīng)緯搭接點(diǎn)。由此可以推斷出原始絲網(wǎng)斷裂的位置屬于經(jīng)線和緯線的搭接處。這是因?yàn)樵谧冃芜^(guò)程中，主拉力方向的經(jīng)絲首先傾向變直，搭接處的經(jīng)絲會(huì)受到另一緯絲的擠壓，正是由于拉力和垂直方向壓力的共同作用導(dǎo)致搭接點(diǎn)位置出現(xiàn)斷裂，而起始搭接點(diǎn)斷裂后，例如圖4b中的A點(diǎn)，使得垂直方向臨近搭接B點(diǎn)的經(jīng)絲受緯絲垂直方向的壓力減小，因而不發(fā)生斷裂，而下一個(gè)斷裂位置會(huì)在受力較大的搭接C或D點(diǎn)產(chǎn)生，相當(dāng)于發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)。

當(dāng)絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)1 080℃退火處理后，斷口宏觀形貌由正斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻魄袛嗲覕嗫诓贿B續(xù)，如圖5a所示。經(jīng)過(guò)放大觀察(圖5b)發(fā)現(xiàn)，斷口處經(jīng)絲發(fā)生了頸縮，這是由于高溫退火消除加工硬化，從而提高了塑性。不同于原始絲網(wǎng)斷裂方式，退火后拉伸絲網(wǎng)的搭接處由于高溫原子擴(kuò)散產(chǎn)生焊點(diǎn)，焊點(diǎn)的強(qiáng)度高于單根絲材，從而使裂紋在某個(gè)斷面內(nèi)的相鄰緯絲內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展，終止于搭接處的焊點(diǎn)，繼而轉(zhuǎn)向切應(yīng)力方向的其他位置。隨著退火溫度升高，斷裂方式和之前類似，1 350℃退火處理的絲網(wǎng)斷口形貌如圖6所示。

圖4 原始狀態(tài)斷裂形貌

圖5 1 080℃退火后斷裂形貌

圖6 1 350℃退火后斷裂形貌

3 結(jié) 論

多層金屬網(wǎng)在制備過(guò)程中的高溫?zé)Y(jié)會(huì)對(duì)絲網(wǎng)性能產(chǎn)生較大影響，文中對(duì)單層316L不銹鋼編織網(wǎng)進(jìn)行熱處理，并對(duì)比分析其力學(xué)性能的差異，得到以下結(jié)論:

(1)絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)高溫退火后，晶粒成倍地長(zhǎng)大，由于高溫原子擴(kuò)散作用，原始經(jīng)緯線的物理搭接點(diǎn)形成焊點(diǎn)，隨著退火溫度升高，焊點(diǎn)的面積增大，使得絲網(wǎng)孔徑在使用中不易變形，能夠保持穩(wěn)定的過(guò)濾精度。

(2)經(jīng)過(guò)高溫退火的絲網(wǎng)拉伸強(qiáng)度大幅度下降，導(dǎo)致抵抗外界沖擊力的性能減弱，但斷后伸長(zhǎng)率稍有提高，在受力過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)類似原始狀態(tài)絲網(wǎng)的瞬斷現(xiàn)象。

(3)3種絲網(wǎng)拉伸斷口的形貌表明，原始編織網(wǎng)的經(jīng)緯絲物理搭接點(diǎn)在受力時(shí)屬于相對(duì)薄弱區(qū);而絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)高溫退火后，經(jīng)緯絲搭接處形成的焊點(diǎn)能夠阻礙裂紋的擴(kuò)展，從而在應(yīng)用中起到一定的安全作用。

［1］ 熊 旺，余忠金，宋 濤．不銹鋼過(guò)濾材料過(guò)濾特性［C］．中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)，2005:150－150．

［2］ 尹法杰，方玉誠(chéng)．剛性復(fù)合燒結(jié)金屬絲網(wǎng)微孔材料與氣固過(guò)濾分離技術(shù)［J］．石油化工設(shè)備技術(shù)，1998(4):25－28．

［3］ 奚正平，湯慧萍．燒結(jié)金屬多孔材料［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2009．

［4］ 張 鴻，宋迎東．陶瓷基復(fù)合材料基體裂紋偏轉(zhuǎn)能量釋放率研究［J］．航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2007，22(10):1730－1736．

TG407

2017－02－15

侯力強(qiáng)，1988年出生，碩士。主要從事金屬過(guò)濾材料方面的工作，已發(fā)表論文3篇。