宋 利

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司利中南电力试验研究院,郑州 450000)

摘 要:对SP2215奥氏体耐热钢分别进行室温压缩(变形量10%~50%)、拉伸(变形量10%~ 40%)和弯曲(弯曲角度20°~180°)变形试验,研究了室温变形后的显微组织、显微硬度和强度。结 果表明:SP2215钢在室温变形过程中不发生马氏体相变,具有较高的奥氏体组织稳定性,位错滑移 始终参与变形;室温变形可大幅度提高 SP2215钢的加工硬化程度,从而提高抗拉强度和硬度,并 成倍提高其屈服强度。

关键词:奥氏体耐热钢;冷变形;马氏体相变;滑移;加工硬化

中图分类号:TG142.7 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0064-06

0 引 言

SP2215钢是北京科技大学最新研制的复合强 化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢;该钢通过 合理配比碳、氮、铌、铜等多种强化元素实现纳米级 Nb(C、N)型 MX 相、NbCrN 相和富铜相的时效析 出,从而达到多相复合强化效果。SP2215钢加工性 能良好,与 HR3C 钢相比,其铬、镍含量稍低,这一 方面提高了经济效益,另一方面克服了 HR3C 钢在 高温长时间时效后韧性降低的缺点,预计未来在电 力行业将得到广泛应用[1-5]。

在用作电力行业锅炉的受热面管时,奥氏体耐 热钢管要经历弯曲、拉拔、扩口等冷加工过程,产生 的冷加工变形将会导致组织和性能发生改变。例 如:TP347H、TP304和316L 等奥氏体耐热钢在冷 变形后因形成形变诱导马氏体而出现加工硬化现 象,这一方面可能导致管子在冷加工后出现裂纹,另 一方面形成的形变诱导马氏体使管子产生磁性,对 管内氧化皮的检测产生不利影响[6-7]。SP2215钢目 前尚处于推广应用阶段,相关研究集中在力学性能、 焊接性能、高温持久性能和组织稳定性等方面,对于 其冷变形行为的研究报道较少;而研究其在冷加工 变形后的组织和性能变化,可以为冷轧钢管的制备 和冷加工提供基本数据,有利于其使用及推广。为 此,作者对 SP2215钢的成品钢管分别在室温下进 行了拉伸、压缩和弯曲试验,分析了其变形行为。

1 试样制备与试验方法

试验材料为由永兴特种材料科技股份有限公司冶炼、江苏武进不锈股份有限公司制管的 SP2215 钢管,钢管炉号为1504-040,批号为 BDG1508-118, 规格为?50.8mm×9.53mm,适用标准为 T/CISA 006-2019《电站锅炉用新型奥氏体耐热钢无缝钢 管》。使用 ARLiSpark8860型直读光谱仪测定其 化学成分,如表1所示,化学成分满足标准要求。在 钢管上取样,经磨抛,用 FeCl3 盐酸水溶液腐蚀后, 使用 AxioObersver3m 型光学显微镜观察显微组 织。由图1可见,SP2215钢管组织为典型奥氏体组 织,平直的孪晶界清晰可见,晶内有第二相析出。

分 别 按 照 GB/T 7314-2005,GB/T 232- 2010,GB/T228.1-2010,在钢管上沿轴向线切割 出压缩、弯曲和拉伸试样。压缩试样为圆柱形,直径 为9.6mm,高度为9.6 mm;弯曲试样为全壁厚试 样,长度为200mm,宽度为22mm;拉伸试样尺寸 见图2,也是全壁厚试样,平行段长度为80mm,宽 度为15mm。

使用 UTM5305HA 型电子万能试验机在室温 下分别进行压缩、拉伸和弯曲变形试验。压缩变形 量分别为10%,20%,30%,40%,50%,下压速度为 1mm·min-1;拉伸变形量分别为10%,20%,30%, 40%,拉伸速度为1mm·min-1;弯曲试验时的弯曲 角度分别为20°,40°,60°,80°,100°,120°,140°,160°, 180°,弯曲速率为10 (°)·min-1。以上3种试验的 最大变形量均接近于材料在对应试验条件下发生破 坏的最大变形量。沿变形方向从中间将变形后的试 样剖开,在剖面上取样进行组织和性能检测。使用RigakuSmartLAB3型 X射线衍射仪(XRD)进行 物相分析,采用钨靶,X射线光源,在3°~20°角度范 围扫查。金相试样经磨抛,用 FeCl3 盐酸水溶液腐 蚀后,在 AxioObersver3m 型光学显微镜上观察显 微组织。采用 HV-1000A 型显微硬度计进行硬度 测试,载荷为9.8N,保载时间为10s,在变形最大处 取点测试,测10个点取最大值。

使用 UTM5305HA 型电子万能试验机对拉伸 变形10%~40%的试样再次进行拉伸试验以测定 其强度指标。

2 试验结果与讨论

2.1 室温变形后的物相组成

由图3可以看出,在3种变形方式下达到最大 变形量时SP2215钢的 XRD 谱中均只出现了 γ-Fe 的衍射峰,未出现α-Fe的衍射峰,表明SP2215钢在 室温变形过程中不会产生形变诱导马氏体。由奥氏 体钢相变临界点经验公式[8]计算得到SP2215奥氏体 耐热钢的马氏体相变临界点温度为-347.502 ℃,可 见室温下变形达不到马氏体相变的热力学条件[9]。 但是,在室温变形过程中有可能会发生形变诱导马氏 体相变[10],其影响因素包括恰当的变形量、低的层错 能以及镍当量处于诱发马氏体相变的范围。

SP2215奥氏体耐热钢的室温层错能和镍当量 计算公式[11]分别为 γ=-53+6.2w(Ni)+0.7w(Cr)+ 3.2w(Mn)+9.3w(Mo) (1) weq(Ni)=w(Ni)+0.65w(Cr)+0.98w(Mo)+ 1.05w(Mn)+0.35w(Si)+12.60w(C)+ 0.03(T -300)- 2.3lg 100 100-R +2.9 ???? ???? (2) 式中:γ 为室温奥氏体层错能,MJ·m-2;w 为质量 分数,%;T 为热力学温度,K;R 为变形量,%。

由式(1)和式(2)计算得到SP2215奥氏体耐热钢 的室温层错能为61.47 MJ·m-2,达到试验设置的最 大变形量时镍当量为28.01%。可见该钢室温层错能 较高,组织稳定性好[12],能抑制马氏体相变[13];镍当 量也 高 于 室 温 诱 发 马 氏 体 相 变 的 范 围 (20.5%~ 25.5%)[12-14]。综上可知,SP2215钢的奥氏体组织稳 定性高,室温变形不会形成形变诱导马氏体。

2.2 室温变形后的显微组织

由图4可以看出:室温下经20%变形量压缩变 形后,SP2215钢的显微组织与未变形显微组织(见 图1)相同,为典型奥氏体组织,孪晶界平直,晶内有 第二相析出;当变形量增至30%时,少量晶粒内部 出现滑移带,呈现直线形的单滑移和波浪形的多滑 移特征;当变形量增加至40%时,晶粒拉长,大部分 晶粒出现滑移现象;当变形量达到50%时,晶粒拉 长变形严重,几乎所有晶粒都出现滑移现象。

由图5可以看出:室温下经10%变形量拉伸变 形后,SP2215钢的显微组织相比于未变形组织变化 不明显;当变形量增至20%时,极少量晶粒内部出 现滑移带,呈直线形的单滑移形貌;当变形量达到 30%,40%时,大部分晶粒都出现滑移现象,并以交 滑移为主。

由图6 可 以 看 出:室 温 下 经 20°弯 曲 变 形 后, SP2215钢的显微组织相比于未变形组织变化不大; 当弯曲角度达到40°时,晶粒内部出现滑移带,呈现 直线形的单滑移和波浪形的多滑移特征;当弯曲角 度达到100°~180°时,SP2215钢的塑性变形以多滑 移和交滑移为主。

综上:SP2215钢在室温变形过程中主要发生位 错滑移。当变形量较小时,位错滑移以单滑移为主, 个别晶粒内部发生变形,滑移由晶界向晶粒内部延 伸;在变形量较大时,参与变形的晶粒数量急剧增 多,滑移贯穿整个晶粒,出现相交的滑移线,交滑移 也逐渐贯穿整个晶粒,滑移线穿过相邻晶粒。因此, 可以通过位错-位错、位错-层错等之间的交互作用 阻碍位错滑移,从而提高SP2215钢的强度。 2.3 室温变形后的显微硬度

由图7可知:SP2215钢的显微硬度随着变形量 的增加先快速增大,在压缩和拉伸变形量达到20% 或弯曲角度达到60°时到达拐点,显微硬度随变形 量 增大的速度变缓。SP2215钢显微硬度随变形量 的变化规律与王俊北[7]研究得到的316LN奥氏体不锈钢的变形规律一致。拐点的出现与室温下变形 达到某一量后位错密度的下降有关[15]。较大变形 量下钢中发生交滑移,导致加工硬化效果变弱,硬度 增加变缓[7]。在相同变形量下,压缩变形后SP2215 钢的硬度明显高于拉伸变形后。

2.4 不同变形量拉伸变形后的拉伸性能

由图8可以看出:SP2215钢的抗拉强度和屈服 强度均随 着 变 形 量 的 增 加 而 增 大,当 变 形 量 达 到 30%时,屈服强度与抗拉强度几乎相等;断后伸长率 随着变形量的增大逐渐减小。SP2215钢经室温拉 伸变形后的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率随变 形量的变化规律与304奥氏体不锈钢[6]和316LN 奥氏体不锈钢[7]相似

材料开始屈服后,继续变形将产生加工硬化;加 工硬化程度可由加工硬化指数进行表征,其计算公 式[16-17]为 n= 1 Kln1390/σy (3) 式中:n 为加工硬化指数;K 为强度系数,取0.12;σy 为屈服强度,MPa。

将K 和不同变形量拉伸变形SP2215钢的屈服 强度代入式(3),计算得到不同变形量下的加工硬化 指数,绘制变形量和加工硬化指数的关系曲线。由 图9可知,随着变形量的增加,SP2215钢的加工硬 化指数增大,说明加工硬化程度增强[18]。这应是由 于位错塞积对位错运动的阻碍作用增强而导致的。 综上,随着变形量的增大,SP2215钢的加工硬化加 剧,因此断后伸长率下降,屈服强度急剧升高。形变 硬化是提高材料强度的重要方法,未变形 SP2215 奥氏体耐热钢的屈服强度不高,通过室温变形可以 实现屈服强度的成倍提升。

3 结 论

(1)SP2215奥氏体耐热钢的奥氏体组织稳定 性高,在室温变形过程中无形变诱导马氏体产生;不 同变形量变形后,晶粒中出现滑移带,并且随着变形 量的增加,滑移带出现多种形态并且数量变多,说明 SP2215奥氏体耐热钢中位错滑移始终参与变形。

(2)随着变形量的增加,SP2215钢的显微硬度 先快速增大后增速变缓,抗拉强度和屈服强度增大, 断后伸长率减小;当拉伸变形量达到 强度增大至与抗拉强度几乎相等。 30%时,屈服

(3)变形SP2215钢的加工硬化指数随变形量 的增加而增大,这导致强度的增加和断后伸长率的 减小;室温变形可以提高其抗拉强度,成倍提高其屈 服强度。

参考文献:

[1] 谢锡善,艾卓群,迟成宇,等.620~650 ℃锅炉过热器/再热器 用新型奥氏体耐热钢 SP2215的研发[J].钢管,2018,47(1): 23-29. XIEXS,AIZ Q,CHIC Y,etal.R & Dofthenewtype SP2215austeniticheat-resistantsteelforservicing620-650 ℃ boilersuperheater/reheater[J].SteelPipe,2018,47(1):23-29. [2] 吴明华,杨辉,朱诚,等.新 型 奥 氏 体 耐 热 钢 SP2215 与 HR3C 优势的比较[J].不锈,2020(3):29-35. WU M H,YANG H,ZHU C,etal.Theadvantagesofanew austenitic heat-resisting steel SP2215 in comparison with HR3C[J].ChinaStainless,2020(3):29-35. [3] 杨华春,李健,曾凡伟,等.高压锅炉管的发展及应用问题探讨 [J].钢管,2017,46(5):5-11. YANG HC,LIJ,ZENGFW,etal.Discussionondevelopment andapplicationofhighpressureboilersteelpipe/tube[J].Steel Pipe,2017,46(5):5-11. [4] 闫瑞峰.SP2215耐热钢瞬时液相扩散焊接头组织及性能研究 [D].焦作:河南理工大学,2019. YAN R F.Microstructure and properties of SP2215 heat resistantsteeltransientliquid phase bonded joints[D]. Jiaozuo:HenanPolytechnicUniversity,2019. [5] 高虹,陈泽民,何周苏秦,等.超超临界火电锅炉用新型奥氏体 耐热合金无缝管的研制[J].现代冶金,2020,48(4):4-11. GAO H,CHENZ M,HE-ZHOUSQ,etal.Developmentofa newtypeofausteniticheat-resistantalloyseamlesstubefor ultra-supercritical thermal power boilers [J]. Modern Metallurgy,2020,48(4):4-11. [6] 龚娜,武会宾,曹嘉明,等.冷变形对304奥氏体不锈钢组织和 性能的影响[J].热加工工艺,2018,47(4):62-66. GONG N,WU HB,CAOJM,etal.Effectofcolddeformation onstructureandpropertiesof304austeniticstainlesssteel[J]. HotWorkingTechnology,2018,47(4):62-66. [7] 王俊北.冷轧变形对316LN 奥氏体不锈钢组织和性能的影响 [D].洛阳:河南科技大学,2017. WANG J B.Effect ofcold rolling on microstructure and mechanicalproperitiesof316LNausteniticstainlesssteel[D]. Luoyang:HenanUniversityofScienceandTechnology,2017. [8] 戴起勋.奥氏体钢 马 氏 体 相 变 点 Ms、Mεs[J].钢 铁,1995,30 (8):52-58. DAIQ X.Martensitetransformation point Ms and Mεs of austeniticsteel[J].IronandSteel,1995,30(8):52-58. [9] 王松涛,杨柯,单以银,等.高氮奥氏体不锈钢与 316L 不锈钢 的冷变形行为研究[J].金属学报,2007,43(2):171-176. WANG S T,YANG K,SHAN Y Y,etal.Study ofcold deformationbehaviorsofahighnitrogenausteniticstainless steeland316Lstainlesssteel[J].Acta MetallurgicaSinica, 2007,43(2):171-176. [10] 陈海云,盛水平.S31608奥氏体不锈钢应变强化诱发马氏体 相变实验[J].压力容器,2013,30(8):7-14. CHEN H Y,SHENG S P.Experimentsforthe S31608 austenitic stainless steel deformation induced martensite transformation[J].PressureVesselTechnology,2013,30(8): 7-14. [11] 徐祖耀.马氏体相变与马氏体[M].2版.北京:科学出版社, 1999. XUZY.Martensitictransformationandmartensite[M].2nd ed.Beijing:SciencePress,1999. [12] 李顺荣,陈海云,邢璐,等.两种常用奥氏体不锈钢形变马氏体 研究[J].压力容器,2013,30(7):1-5. LISR,CHEN H Y,XINGL,etal.Researchondeformation- i[nducedmartensitetestingoftwoausteniticstainlesssteels J].PressureVesselTechnology,2013,30(7):1-5. [13] 黄宝旭,王长征,王晓东,等.N 对 TWIP 钢马氏体相变及力 学性能的影响[J].金属学报,2012,48(7):769-774. HUANGB X,WANG C Z,WANG X D,etal.Effectof nitrogen on martensitic transformation and mechanical propertiesoftwipsteel[J].ActaMetallurgicaSinica,2012,48 (7):769-774. [14] 张子健,张小龙,许波,等.应变强化对 S31603不锈钢母材与 焊接接头应力腐蚀敏感性的影响[J].腐蚀与防护,2019,40 (10):731-739. ZHANGZJ,ZHANG X L,XU B,etal.Effectsofstrain strengthening on stress corrosion sensitivity of S31603 stainlesssteelbasemetalandweldedjoint[J].Corrosion & Protection,2019,40(10):731-739. [15] 彭梦都.高氮奥氏体钢变形行为研究[D].北京:钢铁研究总 院,2018. PENG M D.Studyondeformationbehaviorofhighnitrogen austeniticsteel[D].Beijing:GeneralIronandSteelResearch Institute,2018. [16] UEDAY,SHIY W,SUNSY,etal.Effectofcrackdepthand strengthmis-matchingontherelationbetweenJ-integraland CTODforweldedtensilespecimens(mechanics,strength & structuredesign)[J].TransactionsofJWRI,1997,26(1): 2017,32(1):36-39. SUL W.VacuumheattreatmentprocessfortheDIEVARdie steel[J].HeatTreatment,2017,32(1):36-39. [5] 续维,吴振毅.几种先进热作模具钢的性能分析[J].上海钢 研,2006(1):29-34. XU W,WUZY.Propertyanalyseofseveraltypesofadvance hotworkdiesteel[J].ShanghaiSteel&IronResearch,2006 (1):29-34. [6] MELLOULID,HADDAR N,K?STER A,etal.Thermal fatiguefailureofbrassdie-castingdies[J].EngineeringFailure Analysis,2012,20:137-146. [7] 吴晓春,左鹏鹏.国内外热作模具钢发展现状与趋势[J].模 具工业,2013,39(10):1-9. WU X C,ZUO P P.Developmentstatusandtrendofhot workingdiesteelsathomeandabroad[J].Die & Mould Industry,2013,39(10):1-9. [8] 李成良,黄远坚,温志红,等.合金元素 Mo和 V 对模具钢组 织性能的影响[J].金属材料与冶金工程,2017,45(增刊1): 5-10. LICL,HUANGYJ,WENZH,etal.EffectofMoandV onthemicrostructureandpropertyofmouldsteel[J].Metal MaterialsandMetallurgyEngineering,2017,45(S1):5-10. [9] 曹奇,吴晓春,李爽,等.两种新型 Mo-W 热作模具钢的回火 性能比较[J].金属热处理,2016,41(5):12-18. CAO Q,WU X C,LIS,etal.Comparisonoftempering propertiesoftwonovelMo-W hot-worktoolsteels[J].Heat TreatmentofMetals,2016,41(5):12-18. [10] 潘小强.合金元素 Mo、V 对耐火钢组织及性能的影响[D]. 重庆:重庆大学,2007. PAN X Q.Effectof Moand V onthe microstructureand propertiesoffire-resistantsteel[D].Chongqing:Chongqing University,2007. [11] 谢有,成国光,陈列,等.H13热作模具钢大尺寸析出相特 征及生成机制[J].中国冶金,2016,26(4):32-37. XIEY,CHENG G G,CHEN L,etal.Characteristicsand generatingmechanismoflargeprecipitatesin H13toolsteel [J].ChinaMetallurgy,2016,26(4):32-37. [12] 周健.提高热作模具用 H13钢性能的研究[D].昆明:昆明 理工大学,2009. ZHOUJ.Researchonimprovingtheperformanceofhot workdie H13steel[D].Kunming:Kunming Universityof ScienceandTechnology,2009. [13] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理[M].2版.北京:机械工 业出版社,2007. CUIZQ,QINYC.Metalscienceandheattreatment[M]. 2nded.Beijing:ChinaMachinePress,2007. [14] ZHOUJ,MA D S,CHI H X,etal.Microstructureand propertiesofhotworkingdiesteelH13MOD[J].Journalof IronandSteelResearch,International,2013,20(9):117- 125. [15] 周健,马党参,张才明,等.不同退火工艺对 H13钢组织和 力学性能的影响[J].金属热处理,2012,37(5):53-58. ZHOUJ, MA D S,ZHANG C M,etal.Influenceof differentannealingprocessonmicrostructureandmechanical propertiesof H13 steel[J].Heat Treatmentof Metals, 2012,37(5):53-58. [16] HORN R M,RITCHIE R O. Mechanismsoftempered martensiteembrittlementinlowalloysteels[J].Metallurgical TransactionsA,1978,9(8):1039-1053. [17] 石文敏,刘静,蔡少华,等.3.5Ni低温钢冲击韧性及断口形 貌研究[C]//中南地区第十六届电子显微镜学术交流会论文 集.武汉:湖北省电子显微镜学会,2007:71-74. SHIW M,LIU J,CAIS H,etal.Researchonimpact toughnessandfracturemorphologyof3.5Nilowtemperature steel[C]//Proceedings ofthe 16th Electron Microscope AcademicExchangeConferenceinCentralandSouthChina. Wuhan:HubeiElectronMicroscopySociety,2007:71-74. [18] 王立民,彭梦都,刘正东,等.热处理工艺对45CrMoV 钢组 织和冲击 韧 性 的 影 响 [J].材 料 热 处 理 学 报.2015,36(2): 166-170. WANGL M,PENG M D,LIU ZD,etal.Effectsofheat treatment on microstructure and impact toughness of 45CrMoVsteel[J].Transactions of Materialsand Heat Treatment,2015,36(2):166-170