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殘餘元素對奧氏體不鏽鋼中熱裂紋形成敏感性的影響,殘餘元素對奧氏體不鏽鋼中熱裂紋形成敏感性的影響

更新时间:2019-11-17 03:49人气:8257

連鑄工藝同模鑄工藝,相比具有收得率高、質量穩定和減少工序的特點。從經濟角度及質量要求方麵考慮,在進進下一道工序時,連鑄坯必須是無缺陷的,假如可能,不需要任何的檢查與加工。為了獲悉在連鑄坯內部或表麵裂紋的形成機製和在出現裂紋情況下材料的高溫性能,研究者進行了大量的高溫拉伸測試。通常,在恰好低於1000℃進行的高溫拉伸測試被稱作“溫拉伸",而在l0OO℃至熔點溫度以下進行的高溫拉伸測試被稱作“高溫拉伸”。高溫拉伸測試首要研究材料的強度及韌性(延展性),以實現在凝固及連鑄過程中對產品質量進行優化。金屬材料的高溫性能受多種參數的影響。對性能有明顯影響的身分,比如 :材料的化學成分 、應變速度 、溫度一時間循環關係一向是人們研究的對象。 1 連鑄過程中熱裂紋的形成 在連鑄、焊接及熱加工過程中 ,假如材料不能承受應力和應變所產生的應力,熱裂紋就會形成。說到這裏,必須區別兩種不同類型的熱裂紋。第一種熱裂紋是晶體內裂紋,當有液相薄膜層浸進晶粒邊界,在拉伸負荷感化下,沒有出現塑性變形,晶粒內部顯微組織就發生了撕裂。第二種熱裂紋則正好相反,不涉及液相。大約在再結晶溫度以下,材料的延展性有所降低,是以,這類熱裂紋被稱作“延展性降低裂紋”。 第一種熱裂紋被稱作偏析裂紋,由於液相薄膜的形成與凝固過程中合金元素的顯微偏析有關。這類類型的裂紋可進一步分為凝固收縮裂紋和熔化裂紋。 凝固過程中,在凝固眼前沿的熔融區富含合金元素和殘餘元素。是以,在凝固過程的末期還會存在少量的殘留液相分布在已凝固的顯微組織之間,把它們分開。凝固和冷卻階段產生的收縮應變和膨脹另外增加的收縮應變都會產生表麵裂紋和內部裂紋。即使在隨後的熱成型加工中,內部凝固裂紋也不能消除,假如材料承受更大的張力負荷,合金元素偏析的地方仍會發生斷裂。假如這些區域在隨後進一步的加工中被切掉,這些部位有可能成為淬火裂紋的起始點或導致材料發生劈裂 。對於凝固過程,過往曾做過大量的報道。在接下來的部分,將會對凝固裂紋的形成過程進行解釋。隨著凝固過程的進行,在還剩大約3O%液相的時候,晶粒之間的相互連接使最初試樣可以經受住較小的外力 。此時的溫度被稱作零強度溫度Tnf 。從宏觀上來講,此時的試樣很脆,甚至會完全斷裂,由於晶粒間殘留的液相薄膜不能把應變轉移到鄰近的枝晶或晶粒。隨著試驗溫度的降低,合金元素的局部偏析區開始凝固,當斷裂時首先能測到斷麵收縮發生在所謂的零塑性溫度Tnf。隨著溫度的進一步降低 ,材料的強度持續增加 ,斷裂瞬中斷麵收縮開始急劇增加,當達到最大值後多少有些下降,其值完全依靠於鋼種。這類所謂的二次降低塑性回因於合金元素和殘餘元素在奧氏體中的溶解度降低,析出相應的微粒,流體相的形成和在奧氏體晶粒邊界析出亞共析鐵素體。這使得材料斷裂瞬間其最小斷麵收縮可以降到很低的值。 零強度溫度和零塑性溫度之間的溫度範圍表示了材料固相和液相界麵力學性能的特征。這兩個溫度的差值(△T0=△Tnzf=Tnf一Tnz)可用來作為連鑄坯內部裂紋和熱裂紋形成敏感性的量度。產業研究證實,當此溫度範圍△T0增加時,可觀察到的內部裂紋數目有所增加。 奧氏體不鏽鋼凝固組織的形態取決於鐵素體和奧氏體形成元素的平衡含量。此平衡含量通常用鉻當量和鎳當量之比來表示,即Creq/Nieq。在本文中,我們按照Hammar和Svensson的方法來計算Creq/Nieq。 具有低Creq/Nieq比值的奧氏體鉻鎳鋼內部輕易出現裂紋。結晶器出口處的鑄坯是裂紋形成的關鍵區,由於這裏的冷卻速度急劇降低,連鑄坯的溫度梯度也明顯降低。是以,凝固前沿的溫度升高,甚至可以達到熔點。此效應導致靠近凝固前沿的柱狀晶之間產生熔融偏聚區。假如鑄坯到達二次冷卻的第一區,則又可以恢複較高的溫度梯度。 不同鋼種不鏽鋼對熱裂紋形成的敏感性顯示出極大的差異。對於這些鋼種,熱裂紋的形成首要同凝固過程中初生析出相的類型和析出相的順序有密切關係。初生析出相為奧氏體的不鏽鋼具有較高的熱裂紋形成敏感性。除了在凝固過程中產生的較大收縮外,熱裂紋易於形成的啟事還有 :磷和硫元素溶解度的降低,它們在基體中擴散速度降低和錳在奧氏體晶格中溶解度的增加 。 大生產的不鏽、耐酸和耐熱鋼,其熱裂紋形成的敏感性在多大程度上可以通過加進合金元素,如鈣和鎂來降低和通過加進來自廢金屬的殘餘元素銅、錫和鉛會增加其敏感性,如許的研究目前幾乎沒有 。是以,該當研究這些元素對奧氏體不鏽鋼高溫性能的影響。 本文首要闡述上述元素的不同含量對所選不鏽鋼高溫延展性和強度的影響和對其在熔點至11OO℃之間熱裂紋形成敏感性的影響 。此外,在產業條件下,從頭加熱對材料在上述溫度區間內的高溫塑性的影響也進行了研究。 2 實驗 2.1材料和試樣的製備

實驗采用四種奧氏體鉻鎳不鏽鋼,即 :AISI304(1.43O1),AISI 304LN(1.4311),AISI316L(1.4435)和AISI 317(1.4439)。理想合金成分的獲得是通過在氬保護氣氛的感應爐內加進合金元素得到的。把這些元素加進鋼水中並攪拌後迅速注進模中。然後材料被鑄造成直徑為20mm的棒。為了加進鉛元素,先前製造的約90kg電極材料在高壓下進行電渣重熔,在加進鉛的同時進行電磁攪拌。對試樣接下來的處理工藝同前麵的一樣。材料的化學成分列於表1。
表1 測試試樣的化學成分/%
爐次鋼種CSiMnSPCrNiNMoCuSnPbMgCaCreq/NieqP32AISI317/1.44390.030.561.050.0030.0117.212.80.14.10.07 -- -- -- --1.55Cu78AISI317/1.44390.030.61.130.0030.0216.713.10.13.90.71 -- -- -- --1.38Cu79AISI317/1.44390.030.571.160.0030.0216.912.90.13.81.35 -- -- -- --1.34Cu80AISI317/1.44390.030.571.160.0030.0216.7130.13.82.34 -- -- -- --1.261.4301AISI304/1.43010.040.561.220.0030.03188.660.10.50.22 -- -- -- --1.92Cu81AISI304/1.43010.040.540.980.0050.0317.88.690.10.30.81 -- -- -- --1.79Cu82AISI304/1.43010.040.550.910.0040.0217.58.4700.31.48 -- -- -- --1.7Cu83AISI304/1.43010.040.550.910.0040.0217.48.3500.32.49 -- -- -- --1.56P32AISI317/1.44390.030.561.050.0030.0117.212.80.14.10.070.006 -- -- --1.55Sn4AISI317/1.44390.030.721.170.0030.0217.112.80.13.90.050.147 -- -- --1.53Sn5AISI317/1.44390.030.731.170.0030.0217.112.90.13.90.050.303 -- -- --1.541.4301AISI304/1.43010.040.561.220.0030.03188.660.10.50.220.009 -- -- --1.92Sn2AISI304/1.43010.040.491.010.0030.0317.88.650.10.30.170.216 -- -- --1.94Sn3AISI304/1.43010.040.491.010.0030.0317.98.560.10.30.160.406 -- -- --1.961.4301AISI304/1.43010.040.561.220.0030.03188.660.10.50.220.0090 -- --1.92Pb84AISI304/1.43010.040.5710.0030.0318.48.8800.20.160.0060.001 -- --1.93Pb85AISI304/1.43010.040.5810.0030.03188.810.10.30.160.0060.001 -- --1.9Pb86AISI304/1.43010.040.571.020.0030.0318.18.710.10.30.160.0060.001 -- --1.92P12AISI304LN/1.43110.020.371.450.020.0217.69.190.20.30.14 -- --##1.33339AISI304LN/1.43110.020.41.440.020.0217.58.960.20.30.14 -- --0.0090.00031.54340AISI304LN/1.43110.020.411.50.0010.0317.69.750.20.30.14 -- --0.0020.00041.43341AISI304LN/1.43110.020.41.440.0010.02189.130.20.30.14 -- --2E-040.00031.5342AISI304LN/1.43110.030.41.420.0010.0317.79.260.20.30.14 -- --2E-040.00541.45P22AISI316L/1.44350.020.361.210.020.0217.813.40.12.60.13 -- --##1.4335AISI316L/1.44350.030.371.240.020.0217.313.50.12.70.14 -- --2E-040.00051.37336AISI316L/1.44350.020.351.160.020.0216.713.20.12.60.13 -- --2E-040.00031.38344AISI316L/1.44350.020.371.220.020.0217.2140.12.60.14 -- --0.0040.00031.34345AISI316L/1.44350.030.361.230.020.0216.813.40.12.60.14 -- --0.0020.00181.34
拉伸測試的試樣直徑為20mm,總長l30mm。在進行拉伸測試前,試樣中段30mm長的區域被熔化並以3K/s的速度冷卻,如許最少使8O%的橫截麵沿徑向凝固。 2.2試驗過程和試驗儀器 材料的熔點和凝固點溫度由差動式熱分析儀所確定。拉伸測試是試樣被部分從頭熔化和冷卻後在Trebel高溫拉伸測試機上進行的 。經拉伸測試試樣的顯微組織是通過對同一材料的其他試樣的觀察來決定的 ,試樣直徑5mm,長6~7mm,並在特製的A1203坩堝內熔融。在經過規定的溫度一時間周期後,試樣淬進鹽水中。試樣的顯微組織通過金相檢驗和電子顯微探針來確定。 3結果 3.1 銅、錫和鉛對材料高溫性能的影響 選用AISI 304(1.4301)和AISI 317(1.4439)這兩種材料來進行一係列的測試。它們的凝固模式首要分別為鐵素體模式和奧氏體模式 。隻有AISI 304才加進鉛。 ①銅的加進從根本上降低了特征溫度,但對兩種材料的感化不同。對於材料AISI 317,其臨界凝固溫度區間從34K(含0.07%銅)增至48K(含2.34%銅)。同時零強度溫度和零塑性溫度都有所下降。對於材料AISI 304,當銅含量從0.07%增至0.81%時,其熔點溫度、凝固點溫度、零強度溫度和零塑性溫度下降了約8K ,當銅含量增至2.49%時,這些溫度開始保持不變,但臨界凝固溫度區間增大 。 從加銅合金斷裂時的斷麵收縮率和最大拉力隨溫度的變化關係可知 ,隨著銅含量的增加 ,對斷麵收縮率並沒有明顯影響。AISI 317,HAISI 304,隨著溫度逐步降至l100~C,它們的塑性不但沒有降低反而有所升高。用來進行拉伸測試的試樣含銅量是最高的(AISI 317含銅2.34%,AISI 304含銅2.49%)。隨著銅含量的增加,AISI 304的斷麵收縮率沒有變化而AISI 317的斷麵收縮率則稍微下降。塑性的降低首要是由於較高的形變速率而不是由於銅含量的增加。 ②錫的加進從根本上降低了材料的特征溫度,但對兩種鋼的感化方式不同。對AISI 317,隨著錫含量從O.006%增加到O.15%,其臨界凝固溫度區間從34K增至67K,幾乎增加了一倍;而當錫含量增至約O.3%時,則降至58K。錫對AISI 304的感化則不同,隨著錫含量從O.009%增加到O.22%,其臨界凝固溫度區間最初升高而後保持在l6K,一向到錫含量增至O.41%(試樣Sn 3)。 對於AISI 304隨著錫含量的增加,當溫度小於l25O℃時,零強度溫度、零塑性溫度和斷麵收縮率都有所下降,而對AISI 317這類變化不是連續的。當均勻錫含量為O.15%時達到最低值。對材料的顯微組織研究表明,這類情況出現的啟事是錫含量的增加降低了鉬元素的偏聚。另外,大量硫和錳的偏聚也有首要影響。總而言之,可以說兩種材料中錫含量的增加明顯降低了其韌性,特別是在1300℃擺布的溫度區間內。AIS工304塑性的降低要大於AISI 317 。對於這兩種材料,當含錫量最高的試樣在大生產條件下退火後,兩種材料在應變速度為O.3s-1_的情況下其韌性有所降低,但在950℃至125O℃的溫度區間內幾乎保持不變。由於斷麵收縮率的變化同未經過退火的情況和低應變速度的變化方向一致,是以可以得出如許的結論,即:材料塑性的變化是由於應變速度的影響 。 ③鉛 本文研究了鉛對AISI 304(1.4301)高溫性能的影響。由於試樣較少,所以隻進行了有限的實驗工作。鉛的最大加進量為l4×10-6根據差式熱分析法研究發現,當鉛含量在(1O~14)×10-6時,材料的熔點Tlig降低了約8K,凝固點Tsol降低了約1OK。當鉛含量從O增至1O×10-6時臨界溫度區間△To(零強度溫度和零塑性溫度之間的差值)從5K增至約35K。 較低的變形速度對材料的韌性似乎沒有什麽影響。相反,退火試樣在應變速度為O.3S-1條件下進行試驗,其韌性在11O0℃至12OO℃的溫度範圍內明顯降低。 3.2鈣和鎂對材料高溫性能的影響 加進鈣和鎂對不鏽鋼高溫強度和塑性的影響是通過對AISI 304LN(1.4311)和AISI 316L(1.4435)的研究得出的。這兩種鋼的初生析出相分別為鐵素體和奧氏體。 對AISI 304LN,加進不同含量的鈣和鎂在全部溫度區間內材料的韌性都有所增加。鈣和鎂的添加對AISI 316L的感化也相同。同不加鈣和鎂的試樣相比,加進(15~17)×10-6的鎂可使AISI 316L的零塑性溫度降低1OK。但是其塑性仍明顯低於AISI 304LN。 4討論 對於初生析出相為鐵素體的AISI 304,銅的加進隻稍微增加了臨界凝固溫度範圍(約lOK),同時降低了凝固點和零韌性溫度,而對初生析出相為奧氏體的AISI 3l7,銅的加進則使上述溫度明顯進步。相反,加進O.7%~2.5%的銅幾乎不影響二者的高溫強度和塑性。對於大生產來講,這意味著當含銅量為0.7%~2.5%時,AISI 304的澆鑄溫度該當降低1O~20K,對AISI 317進行連鑄時必須采取措施降低感化於連鑄坯外殼的機械壓力。 AISI 304最多含O.4%的錫時,其臨界凝固溫度範圍僅僅增加了約lOK。相反,AISI 317中隻要加進O.3%的錫,其臨界凝固溫度範圍就會明顯增加 。隨著錫含量的增加,這兩種材料的韌性明顯降低,特別是在13OO℃擺布的溫度範圍內。由於同AISI 3l7相比,AISI 304的韌性降低得更多 ,所以該當重視這類材料在熱成型加工中的參數。 當AISI 304中含(1O~l4)×10-6的鉛時,在11OO℃至12OO℃的溫度範圍內,隨著變形速度的增加,其韌性最差。是以在大生產中,鉛的含量應控製在lO×10-6以下 。 在AISI 304LN和AISI 316L中加進鈣和鎂隻稍微降低它們的熔點和零塑性溫度。鈣和鎂的加進使二者從l3OO~135O℃的溫度直到11OO℃,延展性都明顯增加。從這點可以得出結論:鈣和鎂的加進有益於對二者進行熱加工。 5 小結 銅、錫、鉛、鈣和鎂這些元素對奧氏體不鏽鋼高溫凝固顯微組織的強度和韌性具有不同的感化。此外,凝固方式(初生析出相為鐵素體或奧氏體)也是一個首要的影響身分。 銅、錫和鉛的加進部分增加了材料的臨界溫度範圍寬度,它們影響熱裂紋形成的敏感性。此外,這三種元素還降低了材料凝固顯微組織在拉伸應力感化下的塑性。在大生產連鑄過程中材料出現內部裂紋和在熱加工過程中出現微裂紋的危險可以分別通過調整連鑄參數和降低變形速度的方法來降低,特別對於初生析出相為奧氏體的鋼來講更是如此。,

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