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  • Cr15Mn9Cu2NiN及Cr17Mn6Ni4Cu2N不銹鋼熱變形裂紋的產生

    在熱模擬試驗機上利用自行設計的試驗裝置進行熱變形試驗,研究了Cr15Mn9Cu2NiNCr17Mn6Ni4Cu2N兩種奧氏體不銹鋼鑄坯在不同變形溫度及變形量下裂紋的產生。結果表明,當變形量達到一定程度時,在研究的變形溫度下,兩種試驗鋼均會產生裂紋,裂紋均沿奧氏體晶界擴展。在這兩種試驗鋼中均存在一個開裂傾向較高的溫度區間,但該溫度區間的大小及臨界開裂應變量隨溫度的變化特點在兩種鋼中不同。該溫度區間形成的主要原因是鑄態組織及其變形特性引起的,而臨界開裂變形量隨溫度表現出的不同特點則是由微觀組織的差異導致的。

    奧氏體不銹鋼鑄坯的塑性直接決定著熱變形過程中裂紋的產生及最終的產品質量。目前對于奧氏體不銹鋼鑄坯的熱塑性已經有了較多的研究,一般利用拉伸試驗測定的斷面收縮率來對材料的塑性進行評價。通過對已有的熱塑性數據分析發現,在奧氏體不銹鋼熱加工如熱軋、熱鍛等常用的溫度范圍11001250℃內,材料均具有非常好的熱塑性。如在1100℃時,Cr15Mn9Cu2NiN的斷面收縮率達到80%[1],304HC304H不銹鋼的斷面收縮均達到80%以上。當鑄態材料的斷面收縮率達到60%以上時,材料在熱加工過程中一般不會出現開裂[4],但在實際生產過程中,裂紋的產生卻很難避免。實際上斷面收縮率等材料的塑性指標,反映的是材料斷裂前經受塑性變形的能力,并不能反映出材料變形過程中,開始產生裂紋時所對應的應變量。對材料的變形過程進行分析發現,在斷裂前其表面及內部已經產生了裂紋,但材料仍能繼續變形下去而達到一個較高的塑性。如在鑄態雙相不銹鋼中發現,當變形量達到0.56時材料已經出現了開裂,而其最終的斷裂應變量卻達到了1.6。在304奧氏體不銹鋼的原位拉伸試驗中也得到了相似結果[6]。所以,通過材料斷裂后的斷面收縮率等塑性指標來判斷熱變形過程中其是否開裂是不準確的。

    本文以奧氏體不銹鋼Cr15Mn9Cu2NiNCr17Mn6Ni4Cu2N作為實驗材料,在熱模擬試驗機上利用自行設計的裝置進行熱變形試驗,以變形量作為材料的塑性指標,研究不同變形溫度及變形量下裂紋的產生并對其原因進行分析。

    1實驗材料與方法

    奧氏體不銹鋼Cr15Mn9Cu2NiNCr17Mn6Ni4-Cu2N采用AOD+LF精煉工藝冶煉,通過立彎式連鑄工藝生產出連鑄坯。鑄坯橫截面尺寸為220mm×1260mm,其化學成分如表1所示。

    Thermorestor-W型熱/力模擬試驗機上進行熱變形試驗。通過掛鉤將試樣懸掛在熱模擬試驗機高頻感應線圈中心部位,利用高頻感應線圈對其加熱,加熱至變形溫度后,由活塞對鋼絲繩施加向下的拉力作用,從而帶動軋輥轉動,同時將懸掛試樣的掛鉤拉脫,試樣迅速落入兩軋輥的間隙,試樣隨軋輥進一步轉動而被咬入到兩軋輥中間,進而完成熱變形過程。通過改變兩個軋輥之間的距離來調整試樣的變形量。

    變形溫度范圍為9501250℃,間隔為50℃;活塞向下的拉伸速度速度設為6mm/s;變形量為10%60%。試樣以10/s的速度加熱至1250℃,保溫300s,以10/s的速度冷卻至變形溫度后,進行熱變形試驗。試驗完成后,立即對試樣進行噴水冷卻,以保留高溫時的變形組織。觀察變形后試樣裂紋的產生情況,如裂紋形態、長度以及數量等。將軋后試樣沿平行于軋制面的方向切開,經研磨、機械拋光及電解腐蝕后,利用光學顯微鏡觀察試樣微觀組織。電解腐蝕液成分為10%草酸溶液,電解電壓為6V,腐蝕時間4060s。

    2實驗結果及分析討論

    熱變形后試樣的尺寸在軋制面的寬度及長度方向均有所增加,并且在試樣的邊部出現了不同程度的鼓肚,鼓肚的大小隨變形量的增加而增加,并且在有些試樣的鼓肚處存在一些小裂紋。為分析方便,將試樣邊裂的嚴重程度進行分類。以Cr15Mn9Cu2NiN1100℃時不同變形量的試樣為例,對開裂情況加以說明,如圖1所示。在當變形量為37%時,試樣邊部未出現裂紋,把這種情況定為未開裂;變形量為43%時,邊部最長裂紋為1.5 mm,把裂紋長度在01.5 mm時的情況定為輕微開裂;壓下量為52%時,最長裂紋為3.5 mm,把最長裂紋長度大于3mm時定為為嚴重開裂。除上述開裂情況外,還存在最長裂紋長度為1.53mm的情況,將其判定為中度開裂,當壓下量為47%時,試樣邊部最長的裂紋長度為2mm。

    根據上述試樣開裂嚴重程度的分類,對兩種鋼在所有變形條件下試樣的開裂情況進行歸納,結果分別如圖2所示?煽闯,在各試驗溫度下,當變形量達到一定程度時,試樣都會發生微裂,繼續增大壓下量會使試樣發生中度開裂,甚至嚴重開裂;以試樣邊部產生微裂時所對應的變形量作為邊裂發生的臨界變形量繪制曲線,結果分別如圖2所示?煽闯,在Cr15Mn9Cu2NiN中,其臨界開裂變形量隨變形溫度的降低呈V型的變化趨勢,而在Cr17Mn6Ni4Cu2N中,其臨界開裂變形量隨變形溫度的降低呈U型的變化趨勢,在兩種鋼中均存在一個發生邊裂的臨界變形量較小的溫度區間,分別為9751150℃,10251175℃。

    如果將上述的臨界變形量看作材料的塑性指標,那么Cr15Mn9Cu2NiNCr17Mn6Ni4Cu2N分別在9751150℃和10251175℃的溫度范圍內出現了塑性下降的情況。對于這種鑄態組織的塑性在某一溫度范圍內下降的情況在奧氏體不銹鋼焊縫中也存在。當溫度升至0.50.7T m(熔點)時,在奧氏體不銹鋼的焊縫中發現其塑性會突然下降。在焊接工藝中,把此溫度區間內產生的裂紋稱為失塑裂紋(Ductility-DipCracking)。通常利用應變-斷裂試驗來測定焊縫對失塑裂紋的敏感性,確定裂紋產生的應變閾值及溫度區間。

    3給出了利用應變-斷裂試驗測定的三種奧氏體不銹鋼焊縫的結果?梢钥吹,310、304、AL-6XN的應變閾值和對應的失塑溫度區間分別為5%、10%、3%以及7501100℃、9001200℃、8501000℃。盡管本文中所用的臨界壓下量與應變-斷裂試驗中的應變閾值在測量方法上不同,但它們同樣都反應了材料的高溫塑性。也就是說,在焊縫和鑄坯中均存在一個塑性較低的溫度區間。通過分析對比發現,在本研究中,試驗鋼中產生的邊部裂紋與失塑裂紋具有相同的特征。也就是說試驗鋼熱變形過程中產生的邊部裂紋與失塑裂紋屬于同一類型的裂紋,均是由于在特定的溫度區間內鑄態組織塑性下降的造成的。對于失塑裂紋的產生機理目前還沒有形成統一認識,初步分析認為與鑄態組織及其變形特性有關。

    在奧氏體不銹鋼鑄坯中,由于其凝固過程中具有明顯的熱流方向,使得微觀組織為較粗大的柱狀晶,并且在晶界上存在一定程度的雜質元素的偏析,導致在變形過程中裂紋容易在晶界處開始形核[10]。并且,在這種鑄態組織中,奧氏體柱狀晶的晶界及晶界鐵素體處的奧氏體/鐵素體接觸面比較直,在變形過程中阻止裂紋擴展的能力較弱[11],裂紋形核后就會很容易的沿著晶界或相界擴展,進而形成宏觀的失塑裂紋。通過觀察所有熱變形試樣開裂處微觀組織發現,在Cr15Mn9Cu2NiN中,裂紋的形核位置處于奧氏體晶界處;在Cr17Mn6Ni4Cu2N中,裂紋的形核位置在奧氏體晶界及晶界鐵素體處,可發現,開裂試樣的裂紋形核位置均在較長且直的晶界或相界處,這與以上所分析的結果一致。

    4給出了1100℃時,兩種試驗鋼微裂時的微觀組織?煽吹,在兩種試驗鋼中均存在一個塑性較低的溫度區間。但是,隨著溫度的降低,兩種鋼的塑性變化特點卻是不同的,在Cr15Mn9Cu2NiN中,其塑性隨著變形溫度的降低呈V型的變化趨勢,而在Cr17Mn6Ni4Cu2N中,其塑性隨變形溫度的降低則呈U型的變化趨勢,導致這種差異的原因要從其微觀組織的構成及變形過程中組織的演變方面來分析。

    Cr15Mn9Cu2NiN中,其微觀組織為粗大的奧氏體晶粒,并且通過變形后的微觀組織可以看到,在奧氏體晶粒內部存在一定的變形亞結構,其含量隨溫度的降低而迅速升高,如圖5所示。一般認為,金屬材料的塑性變形過程是位錯在應力的作用下不斷運動和增殖的過程,多數金屬材料在變形后,位錯分布不均勻,它們互相纏繞在一起形成位錯亞結構[12]。在熱變形過程中,位錯亞結構的存在會對晶粒內部的滑移系具有釘扎阻礙作用,提高晶粒的強度[13],導致變形主要集中在晶界處。隨變形溫度的降低,使得材料發生動態回復越來越困難,導致晶粒內部的位錯亞結構越來越多,晶粒強度越來越高,在較小的變形量下就會導致裂紋在奧氏體晶界處形核。當變形溫度降至1000℃以下時,雖然晶粒內部位錯亞結構很多,但同時晶界強度也隨著溫度的降低而得到提高,使得開裂時的應變量有所提高。

    Cr17Mn6Ni4Cu2N中其微觀組織為粗大的奧氏體晶粒內部及晶界上分布著顆粒狀的δ鐵素體。并且,隨變形溫度的降低,在變形后的微觀組織中基本觀察不到位錯亞結構的存在。也就是說,在變形過程中,奧氏體的強化程度較低,因此其塑性隨溫度的降低呈拋物線狀下降。當溫度降至1100℃以下時,由于應變強化的作用,鐵素體強度升高明顯,使得鐵素體與奧氏體的強度差別減小。同時,變形溫度的降低提高了晶界及相界的強度,使得開裂時的應變量提高。

    3結論

    (1)在奧氏體不銹鋼Cr15Mn9Cu2NiNCr17Mn6Ni4Cu2N中,當變形量達到一定程度時,試樣都會發生開裂的情況,并且裂紋均沿奧氏體晶界擴展。在兩種鋼中均存在一個開裂傾向較高的溫度區間,該溫度區間的形成是由于鑄態組織中的柱狀晶晶界較直,阻止裂紋擴展的能力較弱導致的。(2)隨變形溫度降低,Cr15Mn9Cu2NiN的塑性呈V型的變化趨勢,而在Cr17Mn6Ni4Cu2N中則呈U型的變化趨勢。導致這種差異的原因是微觀組織的構成及變形過程中組織演變的差異造成的。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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