鋁元素對310S不銹鋼管高溫拉伸性能的影響分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過壓力機(jī)和手動(dòng)軋制機(jī)對非自耗真空電弧爐熔煉制備的鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、2%、4%的310S不銹鋼管在950～1250℃進(jìn)行開坯軋制，研究不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃下的高溫拉伸性能，用SEM觀察拉伸斷口。結(jié)果表明：不含鋁和鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的合金，它們的高溫抗拉強(qiáng)度均為210MPa左右，但當(dāng)鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到4%時(shí)，合金的熱強(qiáng)性顯著提高。3種合金拉伸斷面均可以看到大小明顯不同的顯微韌窩，合金在斷裂前經(jīng)歷了比較大的塑性變形，所以均為韌性沿晶斷裂。隨鋁含量的增加，合金斷口中的顯微韌窩所占的比例隨之增加。

  310S不銹鋼管是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的高鉻-鎳奧氏體耐熱不銹鋼管，是具有比較好的應(yīng)用前景的耐熱不銹鋼管。在高溫氧化環(huán)境中具有良好的高溫力學(xué)性能，同時(shí)具有優(yōu)良的耐蝕性，因此常用于爐管材料、石油化工、化肥廠轉(zhuǎn)化爐。高溫合金的強(qiáng)化方式有奧氏體的固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化以及第二相強(qiáng)化。在鐵-鉻-鎳合金中加鋁、鈦、鈮、鉭等元素，引起晶格點(diǎn)陣的畸變，增強(qiáng)了固溶體原子鍵引力，也能夠提高再結(jié)晶溫度和延緩再結(jié)晶過程的進(jìn)行。從而提高合金的高溫性能，在鎳基高溫合金中已得到大量應(yīng)用。鋁與鐵、鎳發(fā)生反應(yīng)形成熱力學(xué)穩(wěn)定而且有序的金屬間化合物，能夠阻止位錯(cuò)的滑移和攀移。并且由于鍵的結(jié)合力比較強(qiáng)以及原子排列復(fù)雜，使得該合金具有低自擴(kuò)散系數(shù)，能獲得比較高的變形抗力，從而具有比較高的高溫強(qiáng)度。加入這些微量元素吸附在晶界附近造成局部合金化，改善晶界性質(zhì)，減緩了合金元素沿晶界擴(kuò)散的過程，阻止了晶界上碳化物相和空穴的凝聚和長大，強(qiáng)化了晶界。

  奧氏體耐熱不銹鋼管的抗氧化性與其表面生成的氧化膜有很大的關(guān)系。奧氏體耐熱不銹鋼管中加入適量鋁元素，使鋼表面氧化膜的組成以三氧化二鉻為主向三氧化二鋁轉(zhuǎn)變。對鐵-鉻-鎳-鋁金的研究表明，三氧化二鋁膜穩(wěn)定性好、結(jié)合能力強(qiáng)、致密性好、耐高溫、生長緩慢。在高溫和腐蝕性環(huán)境下，對材料本身具有長時(shí)間的保護(hù)作用，從而大大改善了合金的抗氧化性。為了獲得足夠的鋁的氧化膜，必須有足夠的鋁加入，而且隨著溫度的升高、使用時(shí)間的延長以及環(huán)境的影響（如水蒸氣氛圍的變化、加載力的增大等），鋁的加入量也要求相應(yīng)增加。對于不同的使用材料，要根據(jù)其使用環(huán)境和使用壽命加入適量的元素。前期本課題組研究了鋁元素對鑄態(tài)310S不銹鋼管的壓縮性能和熱軋態(tài)組織的影響及其作用機(jī)制和高溫抗氧化性能的影響。

  浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了不同鋁含量的310S不銹鋼管的高溫拉伸性能，揭示鋁元素對高溫拉伸性能的影響規(guī)律及作用機(jī)制，為含鋁的310S不銹鋼管的研究和制備提供理論依據(jù)。

一、試驗(yàn)過程

  按表設(shè)計(jì)的成分稱取各種元素的粉末。放入行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合，用三氧化二鋁陶瓷球作為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速在每分鐘150轉(zhuǎn)左右，混合8小時(shí)。把混合均勻以后的粉末在鋼模中用壓力機(jī)壓成20ｍｍ×50ｍｍ圓柱，熔煉電流為250Ａ，用氬氣氣氛對爐內(nèi)樣品進(jìn)行保護(hù)，將壓成的圓柱放在非自耗真空電弧中進(jìn)行熔煉。熔煉的鋼液在用水冷卻的銅坩堝中保溫2分鐘以后立即關(guān)閉電弧，在銅模中凝固，合金重熔4～6次，經(jīng)過幾次重熔以后，使其組織的致密和元素分布均勻。

  將熔煉好的合金塊狀固體打磨掉表面氧化皮、缺陷。在爐中的保溫時(shí)間為30～40分鐘，用千斤頂配套特制夾具進(jìn)行熱壓開坯，開坯溫度為1200℃，開坯壓力為60～80 MPa，進(jìn)行8～10道次的熱壓開坯，開坯變形量約為60%。

  開坯以后的試樣用線切割加工成30ｍｍ×30ｍｍ×4ｍｍ的塊狀材料，采用手動(dòng)軋制機(jī)進(jìn)行高溫軋制；試樣軋制溫度為1200℃，爐內(nèi)保溫時(shí)間5分鐘，軋制道次16～20道次，軋制以后總的變形量約為40％，也就是厚度為3ｍｍ的板材試樣。在軋制結(jié)束以后，各合金在400℃下保溫2小時(shí)，去應(yīng)力退火，目的是為消除試樣開坯和軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。利用電子探針對3號(hào)合金各元素進(jìn)行分析，結(jié)果如表所示。1號(hào)和2號(hào)合金除了鋁元素的含量不同，其他元素的含量不變。

 參照《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)》國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，將不同鋁含量的310S不銹鋼管加工成圖所示的高溫拉伸試樣。用島津試驗(yàn)機(jī)做高溫拉伸試驗(yàn)，最大載荷100KN，拉伸速度0.3mm/min，拉伸溫度800℃。每個(gè)參數(shù)的合金進(jìn)行3次拉伸測試，根據(jù)載荷－位移曲線計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值，求其平均值，得出應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線。根據(jù)繪制出的σ－ε曲線，確定出每種合金成分的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及伸長率。利用掃描電子顯微鏡對各斷口的形貌進(jìn)行觀察。

二、試驗(yàn)結(jié)果

  1. 高溫拉伸性能

  圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，各合金均具有良好的塑性變形特征。不含鋁和鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的合金的高溫強(qiáng)度明顯低于鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的合金，而伸長率大大高于后者。

  圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。不含鋁和鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的310S不銹鋼管在800℃下的屈服強(qiáng)度相近，分別為163和162MPa。當(dāng)鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到4%時(shí)，合金的高溫屈服強(qiáng)度顯著提高，為229MPa。不含鋁和鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為２％的310S不銹鋼管在８００℃下的抗拉強(qiáng)度基本不變，分別為213和210 MPa。當(dāng)鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到4%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度增加，為273MPa。由此可以看出，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于2%時(shí)，對合金的高溫強(qiáng)度影響不大，隨著鋁含量的繼續(xù)增加，合金的高溫強(qiáng)度顯著提高。

  圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃下的伸長率。隨著鋁含量的增加，合金的伸長率先升高后降低，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)具有最大的伸長率，為35%。不含鋁和鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的合金，其伸長率分別為28.2%和25.5%。上述結(jié)果表明，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%能夠使310S不銹鋼管的高溫塑性提高，但是不利于高溫抗蠕變性能，而鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%有利于高溫抗蠕變性能的提高。

 2. 高溫拉伸斷口的形貌觀察

 圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管800℃拉伸后的斷口形貌?？梢钥闯觯?種合金的晶界上均可以看到明顯的顯微韌窩，且合金在斷裂前經(jīng)歷了較大的塑性變形，3種合金的高溫?cái)嗔逊绞骄鶠檠鼐ыg性斷裂。

三、討論

 鋁元素加入以后，在鑄態(tài)下，鋁原子固溶在其奧氏體基體中。基體上只有少量的三碳化七鉻的析出物，并沒有發(fā)生鋁元素的富集現(xiàn)象，從而可以看出在鑄態(tài)時(shí)沒有形成三碳化四鋁的析出物。當(dāng)把試件進(jìn)行高溫下開坯、軋制以后，晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，鋁原子在奧氏體基體中的溶解度隨之降低，多余的鋁原子從基體中析出來。由于310S不銹鋼管中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右，相對較低，鋁原子容易與碳原子結(jié)合，沒有形成（鐵，鎳）鋁金屬間化合物，而是以富鋁的顆粒狀三碳化四鋁相析出。以前的研究表明，鋁元素的含量越高，富集現(xiàn)象越嚴(yán)重。由于形成了三碳化四鋁的析出物，從而大大降低了形成析出物三碳化七鉻可支配的碳原子個(gè)數(shù)。從顯微組織中，可以看到3種合金的組織致密，元素分布均勻。