居春艷

(蘭州理工大學技術(shù)工程學院，甘肅 蘭州 730300)

0 引 言

鐵素體不銹鋼具有抗氧化性好、耐應力腐蝕，價格低廉等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣及氧化性酸腐蝕的零部件。410s不銹鋼可用于廚房用具，建筑工業(yè)等；430不銹鋼可用于化工設(shè)備、汽車排氣系統(tǒng)等。目前，對于上述兩種不銹鋼的研究主要集中在力學性能、耐腐蝕性能、冶煉過程等方面。受測試手段限制，不銹鋼的高溫相變行為研究較少，與之相應的熱物理性能數(shù)據(jù)更是缺乏。作為研究相變重要的手段之一，熱物理性能的研究為不銹鋼生產(chǎn)和應用提供重要參考[1]。筆者通過相應的熱物理性能測試，得出410 s和430兩種不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)、熱容和導熱系數(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)，分析討論了兩種不銹鋼在加熱過程中的相變及主要影響因素。為生產(chǎn)實際中，通過溫度控制鐵素體不銹鋼熱物理特性來滿足不同的使用環(huán)境提了供參考依據(jù)，該試驗研究具有重大的工程意義。

1 試驗材料及方法

試驗用材料取自工業(yè)生產(chǎn)鐵素體不銹鋼410 s和430連鑄坯，沿鑄坯1/4厚，1/4寬取樣，化學成分如表1所列。

表1 410 s和430不銹鋼的化學成分 (質(zhì)量分數(shù)，%)

熱膨脹分析在耐弛METZSCH DIL 402PC型水平推桿臥式膨脹儀上進行，試樣為圓柱形，直徑Ф=6 mm，長度L=25 mm，兩端面平行，圓柱面光滑，以3 ℃/min的速率從室溫加熱到1 200 ℃；熱分析在耐弛METZSCH STA 449C同步熱分析儀上進行，試樣為圓形薄片，直徑Ф=3 mm，厚度H=2 mm，以10 ℃/min的速率從室溫加熱到1 400 ℃；導熱系數(shù)在耐弛LFA-457激光熱常數(shù)測試儀上進行，測量室溫至1 000 ℃之間的導熱系數(shù)。試樣為圓形薄片，直徑Ф=12.7 mm，厚度H=1 mm。

2 分析與討論

2.1 熱膨脹系數(shù)

材料的熱膨脹特性可用線膨脹系數(shù) 、體膨脹系數(shù) 、平均線膨脹系數(shù) 及熱膨脹率 表示。因固體材料的 并非常數(shù)，隨溫度升高而增大，故采用平均線膨脹系數(shù) 來表示不銹鋼的熱膨脹特性，其計算表達式[2]為：

(1)

式中：t0、t為測試溫度范圍的初始溫度與終了溫度，由L0、L為試樣在初始溫度與終了溫度的長度。

圖1所示為鐵素體不銹鋼410 s和430平均線膨脹系數(shù)的變化曲線。410 s不銹鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變起始溫度為855 ℃，終止于888 ℃；430不銹鋼轉(zhuǎn)變開始溫度為895 ℃，終止于912 ℃。轉(zhuǎn)變終止后，兩種不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)隨溫度的上升迅速增加，在此階段，原子振動隨著溫度的升高更加劇烈，因而，平均線膨脹系數(shù)增加的程度明顯大于低溫階段。

圖1 410 s和430不銹鋼熱膨脹系數(shù)對比圖

不銹鋼中添加的鉻、鎳、錳、銅等合金元素將影響鐵基體的膨脹系數(shù)，溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)高于溶劑基體時，將增大膨脹系數(shù)；溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)低于溶劑基體時，將減小膨脹系數(shù)，含量越高，影響越大。室溫～100℃時，鐵的膨脹系數(shù)[1]為11.76×10-6/℃，鉻、鎳、錳、銅的膨脹系數(shù)[1]分別為：6.2×10-6/℃，13.4×10-6/℃，37×10-6/℃，17×10-6/℃，除鉻以外，其它三種元素的膨脹系數(shù)均高于鐵基的膨脹系數(shù)。兩種不銹鋼在化學成分上存在差異，鉻含量相差3.9%，因此，在一定程度上降低了430不銹鋼的線膨脹系數(shù)。

鋼中的合金元素對鐵素體、奧氏體的相對穩(wěn)定性以及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度A3有著極大的影響。鎳和錳元素與奧氏體無限互溶，開啟奧氏體相區(qū)；碳、氮和銅元素與奧氏體有限互溶，擴展奧氏體相區(qū)，均為奧氏體形成元素，這些元素使得A3溫度降低。鉻和鉬元素為鐵素體形成元素，鉻元素與鐵素體無限互溶，鉬元素與鐵素體有限互溶，均封閉奧氏體相區(qū)，使A3溫度升高。410 s不銹鋼中，奧氏體形成元素質(zhì)量分數(shù) ，鐵素體形成元素質(zhì)量分數(shù)，430不銹鋼中，奧氏體形成元素質(zhì)量分數(shù) ，鐵素體形成元素質(zhì)量分數(shù) 。兩種不銹鋼的A3溫度均比純鐵的低，說明轉(zhuǎn)變溫度主要受奧氏體形成元素的影響。兩種不銹鋼中奧氏體形成元素的質(zhì)量分數(shù)相差小，僅為0.107%，故可認為奧氏體形成元素對410 s和430不銹鋼A3溫度的降低程度基本相同。兩種不銹鋼的轉(zhuǎn)變開始溫度相差40 ℃，主要是因為430不銹鋼中鐵素體形成元素的質(zhì)量分數(shù)高，二者相差3.91%，鐵素體形成元素提高了轉(zhuǎn)變溫度，故430不銹鋼的A3轉(zhuǎn)變溫度高于410 s不銹鋼。

2.2 比熱容

比熱容是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量。對于金屬材料而言，受熱后體積變化沒有氣體體積變化顯著，因而，近似認為定容比熱容和定壓比熱容是相等的[2]， 定壓比熱容便于測量，因此用定壓比熱容來表示不銹鋼的比熱容。試驗設(shè)備為STA 449C同步熱分析儀，純Al2O3作為標樣，依次測量基線、標樣線、樣品線，再運用DSC分析軟件，計算同一溫度下樣品和標準試樣的熱流速率偏離基線的比值，得出試樣的比熱容值。

試樣在加熱過程中，如果無相變發(fā)生，熱容和溫度之間成線性關(guān)系。從圖2可知，兩種不銹鋼的熱容-溫度曲線均出現(xiàn)偏離線性的區(qū)域，即偏離區(qū)域有相變發(fā)生。410 s不銹鋼第一個峰為發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的熱效應。起始溫度為676 ℃，終止溫度為740 ℃，鐵磁性向順磁性的轉(zhuǎn)變?yōu)槎壪嘧?，該轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)逐步完成的。第二個峰為鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的熱效應。鐵素體-奧氏體相變?yōu)橐患壪嘧儯D(zhuǎn)變溫度為873 ℃，比熱容為1.09 J/(g.k)，因為奧氏體相的比熱容比鐵素體相小，故曲線上比熱容數(shù)值開始減小，897 ℃時，轉(zhuǎn)變?nèi)客瓿桑藭r全部為奧氏體相，比熱容值為1.01 J/(g.k)。隨溫度升高，比熱容數(shù)值開始線性增加。第三個峰為奧氏體向高溫鐵素體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的熱效應。該相變也是一級相變，比熱容值與溫度之間呈線性關(guān)系。溫度升至1 177 ℃時，奧氏體開始向高溫鐵素體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度為1 267 ℃。

圖2 410 s和430不銹鋼熱容曲線

430不銹鋼第一個熱效應峰起始溫度為640 ℃，終止溫度為703 ℃，該峰同樣為430不銹鋼磁性轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的熱效應。第二個峰為鐵素體-奧氏體相變熱效應，轉(zhuǎn)變溫度為862 ℃，該峰為鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變時的熱效應。兩種不銹鋼測得的奧氏體相變轉(zhuǎn)變溫度與通過熱膨脹測定的轉(zhuǎn)變溫度基本一致。

2.3 導熱系數(shù)

材料導熱系數(shù)測量方法有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。非穩(wěn)態(tài)法測量導熱系所需的時間較短，熱損失的影響比穩(wěn)態(tài)法小得多，且可以通過實驗消去。試驗時，令試樣上的溫度形成某種規(guī)律的變化，通過測量溫度隨時間變化以獲得熱擴散率值，在已知比熱容和密度的條件下，求得材料的導熱系數(shù)[3]。

金屬及其合金材料熱擴散率的測定，應用最廣泛和最受歡迎的方法是閃射法，又稱為激光加熱法[4]。該方法使用一束短促的激光脈沖加熱試樣正面，通過紅外監(jiān)測器測量試樣背面溫度隨時間的變化，得到樣品的熱擴散率α，同時測量出試樣的比熱Cp，在已知樣品密度ρ的情況下，可以計算試樣的導熱系數(shù)，公式如下：

Δλ(T)=α(T).Cp(T).ρ

(3)

室溫下測得410 s與430不銹鋼的密度分別為：7.73 g/cm2，7.68 g/cm2。

如圖3所示為兩種不銹鋼的熱擴散率對比圖。由圖可知，410 s和430不銹鋼熱擴散率隨著溫度的變化趨勢基本一致。溫度低于700 ℃時，隨著溫度的升高而降低；溫度超過700 ℃后，熱擴散率逐漸增加。該趨勢與熱膨脹系數(shù)和比熱容反映出來的趨勢相一致。

圖3 410 s和430不銹鋼熱擴散率對比圖

將不銹鋼的比熱容，熱擴散率和密度值分別代入式(4)中，計算出對應溫度的導熱系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，室溫至700 ℃之間，410 s和430不銹鋼的導熱系數(shù)隨溫度的上升稍有減小，相對平緩，沒有較大的波動。導熱系數(shù)受到比熱容和熱擴散率兩個因素的影響，在此溫度范圍內(nèi)，比熱容隨溫度的上升而增加，熱擴散率與之相反，隨溫度的上升而減小，且減小的程度略大于增加的程度，為主導因素，因而，導熱系數(shù)略微減少。溫度超過700 ℃后，比熱容和熱擴散率都隨著溫度的升高而增加，兩種不銹鋼的導熱系數(shù)迅速增加。

圖4 410s和430不銹鋼導熱系數(shù)對比圖

3 結(jié) 論

通過試驗研究的方法，測試410 s和430兩種不銹鋼的熱物理性能，獲得兩種不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)、熱容和導熱系數(shù)數(shù)據(jù)，分析不銹鋼在加熱過程中的相變及主要影響因素，主要研究結(jié)果如下。

(1) 410 s，410不銹鋼在30～1 100 ℃之間的平均線膨脹系數(shù)分別為14.7×10-6/℃，14.8×10-6/℃；1 000 ℃時，比熱容分別為1.26 J/(g.k)，1.29 J/(g.k)；導熱系數(shù)分別為54.7 W/(m.k)，55.3 W/(m.k)。

(2) 在30～1 000 ℃之間熱膨脹系數(shù)、比熱容與熱擴散率均在磁性轉(zhuǎn)變溫度附近發(fā)生不連續(xù)地變化。兩種不銹鋼均在750 ℃附近發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，在800 ℃附近存在部分鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。

(3) 導熱系數(shù)的變化受到比熱容和熱擴散率兩個因素的影響，以磁性轉(zhuǎn)變溫度為臨界溫度。低于該轉(zhuǎn)變溫度，導熱系數(shù)緩慢減小，高于該轉(zhuǎn)變溫度，導熱系數(shù)迅速增加。相變對導熱系數(shù)的影響不明顯。