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310S耐热不锈钢对高温拉伸性能的影响

文章作者:admin 人气: 发表时间:2021-06-29 08:30:55


WS-4无耗真空电弧炉生产的质量分数为0%、2%、4%Al的310S耐热不锈钢,压力机和手动轧机冶炼,950不同Al含量的310S耐热不锈钢至1250,研究了热轧板的高温拉伸性能,并通过扫描电镜观察了拉伸断裂。结果表明,不含Al和Al的2%合金的高温抗拉强度约为210 MPa,但将Al含量提高到4%后,合金的热强度显着提高。在三种合金的拉伸部分可以看到明显不同尺寸的细小凹坑,所有这些都是韧性晶间断裂,因为合金在断裂前经历了较大的塑性变形。随着Al含量的增加,合金裂纹中细小凹坑的比例增加。

310S耐热不锈钢是Cr含量为25%,Ni含量为20%的高Cr-Ni奥氏体耐热不锈钢,是一种适用性较好的耐热不锈钢。它具有良好的高温机械性能,同时在高温氧化环境中具有良好的抗腐蚀性能,因此常用于炉管材料、石油化工、化肥厂重整装置。

高温合金的强化方法包括奥氏体固溶强化、晶界强化和两相强化。在Fe-Cr-Ni合金中加入Al、Ti、Nb、Ta等元素可使晶格畸变,提高固溶原子键的吸引力,提高再结晶温度,延缓再结晶过程。它已广泛用于镍基高温合金以提高合金的高温性能。

Al可以与Fe和Ni反应形成热力学稳定且有序的金属间化合物,可以防止位错的滑移和上升。此外,由于键的结合力比较强,原子排列复杂,合金的自扩散系数低,可以获得比较高的变形抗力,可以有比较高的温度强度。这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,减缓合金元素沿晶界的扩散过程,防止晶界处碳化物相和空穴的团聚和生长。强化谷物。

奥氏体耐热不锈钢的抗氧化性与表面形成的氧化膜有很强的关系。通过在奥氏体耐热不锈钢中加入适量的Al元素,使钢表面氧化膜的成分由Cr2O3变为Cr2O3和Al2O3。对Fe-Cr-Ni-Al合金的研究表明,Al2O3薄膜稳定性好、结合力强、压缩性好、耐高温、生长缓慢。在高温和腐蚀环境下对材料本身有长期的保护作用,大大提高了合金的抗氧化性。必须添加足够的Al才能获得足够的Al氧化膜,并且根据温升、延长使用时间和环境影响(如水蒸气气氛的变化、负载力的增加等)需要添加Al。如果使用的材料不同,应根据使用环境和使用寿命添加适当的元素。本课题组前期研究了铸造310S钢的抗压性能和Al元素对热轧组织的影响、作用机理和高温抗氧化性能的影响。

本文研究了不同Al含量的310S热轧钢板的高温拉伸性能,通过识别Al元素对高温拉伸性能的影响规律和机制,提供了理论依据。含铝310S不锈钢薄板的研究与制备

1 测试过程

根据表1设计的成分称量各种元素的粉末。混合时,放入QM-BP行星式球磨机,以Al2O3陶瓷球为球磨介质,球磨机转速150r/min左右,混合8小时。将混合均匀的粉末用压机压制成20mm50mm的圆柱体。熔化电流为250A。炉中的样品用氩气保护。压缩气缸放置在WS-4 上。 - 在消耗性真空电弧中熔化。钢水在冷冻水坩埚中存放2分钟后,立即关弧,在铜模中凝固,重熔合金46次。经过多次重熔,组织致密,元素分布均匀。

对熔炼的合金块固体进行抛光以去除表面氧化皮和缺陷。加热炉保温时间30-40分钟,热压坯采用带千斤顶的专用夹具,坯温度1200,坯压力60~80MPa,坯料变形约60% .

拉坯后,试样进行线切割,加工成30mm30mm4mm的块料,然后用手动轧机热轧,试样轧制温度1200,保温时间5分钟,轧制16-20道次后,总轧制后的应变约为40%,即3mm厚的板样。轧制后,将合金在400 C 下保温2 h,然后进行去应力退火,其目的是消除试样在坯料和轧制过程中产生的内应力。

使用EPMA-1600 电子探头,No. 3种合金元素分析结果见表2。除Al元素含量不同外,合金1和2中其他元素的含量没有变化。

按照国家标准GB/T 4338-1995 《金属材料高温拉伸试验》的技术要求,将不同Al含量的310S耐热不锈钢板加工成如图1所示的高温拉伸试样。使用岛津AT-10试验机进行高温拉伸试验。最大载荷100kN,拉伸速度0.3mm/min,拉伸温度800。对各参数的合金进行3次拉伸试验,根据载荷位移曲线计算相应的应力应变值,计算平均值得到应力应变(-)曲线。绘制的-曲线决定了各合金成分的屈服强度、抗拉强度和伸长率。

使用JSM-6700F 扫描电子显微镜观察每个裂缝的形态。

2 测试结果

2.1 高温拉伸性能

图2为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800时的应力-应变曲线。可见,所有合金都具有良好的塑性变形性能。含Al和不含Al的质量分数为2%的合金的高温强度明显低于质量分数为4%的Al合金,而延伸率则远高于后者。

图3为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800下的屈服强度和抗拉强度。含铝和不含铝的质量分数为2% 的310S 耐热不锈钢板在800C 下的屈服强度分别为163 和162 MPa。当Al的质量分数增加到4%时,合金的高温屈服强度大大提高到229 MPa。不含Al和Al的质量分数为2%的310S耐热不锈钢板在800时的抗拉强度基本不变,分别为213 MPa和210 MPa。当Al的质量分数增加到4%时,合金的抗拉强度增加到273 MPa。可以看出,当Al的质量分数为2%以下时,合金的高温强度几乎不受影响,随着Al含量的不断增加,合金的高温强度显着提高。

图4为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800下的延伸率。当Al含量增加时,合金的伸长率先增大后减小,当Al的质量分数为2%时,伸长率最大为36%。含铝和不含铝的质量分数为4% 的合金的伸长率分别为28.2% 和25.5%。以上结果表明,Al的质量分数为2%时,可以提高310S的高温塑性,但对高温抗蠕变性没有帮助,而Al的质量分数为4%时,有助于改善它。耐高温蠕变。

2.2 高温拉伸断口形貌观察

图5为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800拉伸后的断口形貌。三种合金在晶界处均表现出明显的细小凹坑,合金在断裂前经历了较大的塑性变形,三种合金的高温断裂方式均为晶间韧性断裂。

3 讨论

添加Al元素后,在铸态状态下,Al原子固溶于奥氏体基体中。可以看出,基体中仅存在少量的Cr7C3析出物,未发生Al元素富集现象,说明铸态未形成Al4C3析出物。在高温下轧制和轧制试样会严重扭曲晶格,降低铝原子在奥氏体基体中的溶解度,并从基体中析出过量的铝原子。由于奥氏体耐热不锈钢中Ni的质量分数较低,约为20%,Al原子易与C原子结合,不形成(Fe,Ni)Al金属间化合物,而是富Al粒状Al4C3相析出.以往的研究表明,Al含量越高,富集现象越严重。 Al4C3 沉淀物的形成大大减少了可用于形成Cr7C3 沉淀物的C 原子数量。

从显微组织可以看出,三种合金组织致密,元素分布均匀。与第二种合金相比,第一种合金的高温强度基本没有变化。与1号合金相比(图6(a),白色是由Fe、Ni、Cr组成的基体,黑色相是由Cr和C组成的Cr7C3),黑色相是聚集的Cr7C3。 不。 2合金,如图7(a)(基体+白色粒状Cr7C3+黑色大粒状Al4C3+黑色粒状(Fe,Ni)Al金属间化合物),Cr7C3尺寸虽然明显增加,但数量减少显着,表明形貌呈断续链状分布,基体中形成一定量的富铝析出相Al4C3。添加Al元素后,Cr7C3的量减少,对位错迁移和晶间滑移的干扰作用也减弱,减弱了析出物Cr7C3的析出强化作用,强度显着降低,但Al添加细小且稳定分散的Al4C3颗粒(质量分数)约2.7%)在基体的晶界处形成。这些Al4C3 晶粒通过防止位错移动和晶界滑动来补偿Cr7C3 的高电阻。由于位错的干扰作用,即使添加2%的Al,材料的高温强度基本不变。当Al的质量分数增加到4%(合金3)时,合金3的高温强度明显高于合金1和合金2,Cr7C3含量进一步降低,Al4C3含量显着降低。增加(图8)。

不同Al含量合金的X射线衍射图见如图9。所有合金都是奥氏体基体。奥氏体耐热不锈钢在高温下会发生拉伸变形。在载荷作用下均匀变形过程中,合金缺陷和局部应力集中出现微孔,并且这些微孔继续形成和生长。新的微孔在该区域形成并生长。逐渐增长的孔隙相遇并聚结形成小裂纹,并在裂纹发生的地方产生新的应力集中。在这个过程中,由于温度高,晶界粘稠,原子的迁移率比较高。微孔也处于热活化状态,在加载过程中微孔继续相互聚结和聚集,增加了微孔的数量并增加了它们的体积。

当应力超过材料的屈服强度时,310S耐热不锈钢发生塑性变形。在应力作用下,位错在夹杂物和沉积物周围堆积,沉积物颗粒极大地阻碍了位错的运动,在夹杂物与金属的界面处产生了大量额外的微孔。位错不断产生新的位错,滑移面上的位错不断地被推入微孔中,使微孔迅速扩大生长。在高温下,晶界和沉积物对位错的阻挡作用减弱,滑移面上的位错速率加快。微孔的扩张速度加快,合并生长形成较大的微孔。相对而言,Al4C3 颗粒的热稳定性不如Cr7C3(通常Al4C3 颗粒在1400C 下是稳定的)。在高温变形过程中,Al4C3颗粒对位错的干扰作用远大于Cr7C3颗粒对位错的干扰作用。

合金的塑性随着Al含量的增加先增大后减小,质量分数为2%的310S合金的高温塑性较不含Al的310S有所提高。由于合金基体组织中碳化物(Cr7C3晶粒)的尺寸比不含Al的合金大,粗大的沉积物有助于合金的变形。当Al的质量分数增加到4%时,即使碳化物尺寸变大,合金中Al4C3的含量也会增加。细小的析出物强化了奥氏体基体并影响钢的动态再结晶。产生分布的细小沉淀相。它会导致应力集中和晶间断裂。含Al的310S耐热不锈钢的延伸率不随Al含量的增加而增加,但在Al的质量分数为2%时达到最大值。

4。结论

(1)与不含Al的310S耐热不锈钢相比,质量分数为2%的Al的高温强度基本没有变化,但伸长率增加。

(2)Al含量为4%的310S合金的高温强度大大提高,塑性降低。