310S不銹鋼

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310S不銹鋼的組織結構研究

來源:至德鋼業 日期:2020-05-18 22:35:21 人氣:77

使用310S不銹鋼作為實驗材料,主要觀察固溶,冷軋,時效3種狀態下310S的顯微組織。研究他們的共性和不同。并與后文材料在H2S環境中SCC行為相聯系。

固溶態組織

310S不銹鋼在投產使用前都要進行高溫固溶處理,目的主要是改善合金的延性,消除內應力,同時降低其晶間腐蝕敏感性。

本文對310S進行固溶處理的方式為:快速升溫到1050℃,并且保持兩小時,最后置入冷水中迅速降溫。圖3.1310S經上述固溶處理后的金相照片,可以看到,整個基體都是單一奧氏體,晶粒邊界被完全侵蝕出來,輪廓較筆直,飽滿圓潤,清楚可辨,晶粒尺寸不均,存在大量孿晶。通過400倍金相照片觀察,發現晶粒內部較為干凈,只有少量的未溶顆粒分散在晶粒中。

進一步通過透射電鏡觀察固溶態310S,結果如圖3.2所示,晶粒內比較純凈,可以清晰觀察到少量位錯線,證明固溶態下的材料位錯密度ρ較低。眾所周知,金屬的力學性能如強度、塑性和斷裂等均與位錯有關,一般來說ρ越小,材料強度愈低,其延性就越好。

冷軋態組織

為了提升310S的力學性能,對材料進行30%的冷軋。圖3.3為冷軋態310S的金相組織。從圖中可以看出,與固溶態金相相比,經冷軋30%處理后的310S不銹鋼,晶界彎曲,晶粒沿變形方向伸長,趨向于沿同一方向排列。圖3.4為冷軋態310SX射線衍射分析圖譜??梢钥闯?,冷軋態310S材料均存在(43°,51°,75°)位置對應的三強峰γ(111)、γ(200)、γ(220)。說明冷變形后310S的金屬組織依舊穩定,無馬氏體生成。

3.5為冷軋態310S透射電鏡形貌圖,可以觀察到有許多的位錯胞,在這些位錯胞的周圍存在很大數量的纏結位錯,位錯密度ρ顯著增加,在圖(a)中清晰可見長條狀組織,寬度為納米級,黑色部分出現位錯塞積,經選取電子衍射表明,基體組織仍然奧氏體,結合形貌判斷該條狀物為滑移帶,滑移帶周圍分布大量位錯。310S不銹鋼在冷軋的過程中會出現位錯塞積,造成局部區域應力集中,降低材料的延伸率。圖(b)的長條狀組織,其電子衍射圖譜中有兩套斑點,證明它為孿晶結構。據有關文獻報道,孿晶在晶體中能起到一定的屏障作用,當位錯移動到這里時,會受到一定的阻力,這種作用累積的結果是材料會體現出加工硬化的特征。

時效態組織

對于奧氏體不銹鋼,時效處理的主要原因是在一定程度上消除內應力,穩定改善鋼材綜合性能。本文采用900℃時效保溫2h后水冷,得到時效態的奧氏體不銹鋼,其組織如圖3.6所示。不難發現,在晶粒內部和晶粒邊界均有析出物產生,其中晶粒邊界附近的數量更多。不銹鋼在不同的外界環境中會沉淀出不同的析出物,它們會導致鋼材全面的性能改變,而這些變化幾乎總是不利的。

根據金相顯微鏡僅可以看到析出相的大致分布,無法確定其成分,而掃描電鏡可以在更高放大倍數下研究析出物,定性得分析起成分組成。圖3.7為時效態310S的掃描電鏡照片??梢杂^察到境界周圍存在大量白色析出物,其形態呈條狀和顆粒狀,并且晶內析出物的數量也有不少。

對晶界析出物區域進行能譜測試,成分在表3.1中,可以發現,析出相附近的Cr含量高出基體,而鐵和鎳元素的含量均有小幅度下降。初步判斷析出物是含Cr化合物。

接著,利用透射電子顯微鏡開展了更加細致的觀察和研究,圖3.8為不同形態的析出物照片,可以發現析出物尺寸大小不一,大多呈長條狀或方塊狀,最長可達數微米。寬度在100納米以上。在部分析出物的周圍(如圖a)有少量位錯聚集。圖(d)是各析出物的衍射圖案,經過對比參照,該類析出物為FCC結構,結合上文的成分信息,可以確定是M23C6,M23C6的生成會使得其周圍鉻含量降低,使周圍局部區域更容易蒙受介質的腐蝕。據研究抑制M23C6形成的一種方法是改變鋼材的化學成分,已知氮的添加可以延緩M23C6形成的進程,一旦少量的CN代替,碳化物就會極不穩定。

1)固溶態310S基體都是單一奧氏體,無明顯取向,晶粒尺寸不均,存在大量孿晶。晶粒內部較為干凈,只有少量的未溶顆粒分散在晶粒中,位錯錯密度較低因此擁有良好的塑韌性,較能抵抗晶間腐蝕。

2)冷軋態310S不銹鋼的組織依舊為純奧氏體結構,無馬氏體生成,穩定性很好。晶界彎曲,晶粒沿變形方向伸長,趨向于沿同一方向排列。在納米尺度上,其組織內部分布大量滑移帶和孿晶,滑移帶呈長條狀,寬度為納米級,在這些滑移帶周圍還分布大量位錯;孿晶的組織形貌與滑移帶類似,通過電子衍射圖譜區分。孿晶在晶體中能起到一定的屏障作用,當位錯移動到這里時,會受到一定的阻力。

3)時效態310S不銹鋼晶粒內部和晶粒邊界均有析出物產生,其中晶粒邊界附近的數量更多,部分析出相周圍有少量位錯聚集,析出相附近的鉻含量高出基體,而鐵和鎳含量均有小幅度下降,初步判斷析出物是含Cr化合物,充分結合成分信息與結構信息,可以確定該物質為M23C6。M23C6的生成會使得其周圍鉻含量降低,使周圍局部區域更容易蒙受介質的腐蝕。

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