Fe-Cr-Ni-Mo-Co-Al系新型高性能奥氏体不锈钢相变机理、力学性能和强化机制研究

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奥氏体不锈钢具有稳定的奥氏体组织,包括应用广泛的304不锈钢(18Cr-8Ni)和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢,属于镍铬不锈钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性、塑性和优良的耐腐蚀性能,但强度较低。奥氏体作为一种亚稳态相,在塑性变形和热处理条件下均可能发生马氏体相变,这为晶粒细化提供了有利条件,从而显著提高奥氏体不锈钢的强度。对于亚稳态奥氏体不锈钢,可以通过冷变形和热处理相结合来实现细化,这种方法可以极大地提高钢的强度,而不会损失钢的塑性。本文以Fe-Cr-Ni-Mo-Co-Al系新型高性能奥氏体不锈钢(11Cr-8Ni-5Mo-8Co-Al,以下简称新型A钢)为研究对象,研究其相变机理,并确定合适的热处理制度;研究其力学和耐腐蚀性能;通过冷轧变形与回火热处理相结合探讨其强化机制并与双相不锈钢(15Cr-2Al-2Ni-10Mn)进行对比研究,使其综合性能达到更高的水平。主要研究内容和结论如下:(1)分析相变机理,确定合适的热处理制度。通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和金相(OM)对新型A钢的组织进行定性分析和定量计算,结果表明其主要含有奥氏体相(γ)和少量的铁素体相(α);经过热处理之后,新型A钢中γ相和α相两相相对含量发生变化,其中经600℃-1h热处理的γ相的相对含量最大可达89.40%。通常认为,奥氏体不锈钢中的γ相含量应不少于70%,因此,新型A钢合适的热处理制度范围为400℃~650℃。(2)测试力学性能和耐腐蚀性能。通过拉伸和显微硬度试验测试新型A钢的力学性能,结果表明新型A钢发生韧性断裂,拉伸过程中发生TRIP效应。其中600℃-1h热处理所得到的抗拉强度(Rm)最大,可达798.41MPa,比未经热处理钢(Norm)提高约16.29%。同时,其γ相和α相两相的显微维氏硬度均获得提高,γ相为202.65hv,比Norm提高约8.79%;α相为235.45hv,比Norm提高约9.86%。通过对新型A钢进行浸泡腐蚀和电化学腐蚀测试,结果表明新型A钢腐蚀速率极小,耐腐蚀性能优异;经热处理后,耐腐蚀性能有小幅度提高。(3)强化机制的研究与分析。通过冷轧变形和回火热处理对新型A钢进行强化,并与双相不锈钢进行对比,结果表明对于新型A钢,冷轧使部分奥氏体变为马氏体,再通过回火热处理使得马氏体变回奥氏体,达到了细化晶粒的目的,从而提高了强度。新型A钢在冷轧50%和600℃-0.5h回火热处理后所得到的Rm可达1493.29MPa,比Norm提高约117.50%。对于双相不锈钢,冷轧变形细化晶粒,并未发生TRIP效应。新型A钢的强化效果明显优于双相不锈钢。两者强化机制不一样,对于新型A钢是相变细晶强化,双相不锈钢是冷变形细晶强化,引起的强化效果具有明显的差异。
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