310S耐热不锈钢对高温拉伸性能的影响
文章来源：304不锈钢管
作者：外链代发
人气：14
2022-06-12 13:47:31
WS-4无耗真空电弧炉生产的质量分数为0%、2%、4%Al的310S耐热不锈钢，压力机和手动轧机冶炼，950不同Al含量的310S耐热不锈钢至1250，研究了热轧板的高温拉伸性能，并通过扫描电镜观察了拉伸断裂。结果表明，不含Al和Al的2%合金的高温抗拉强度约为210 MPa，但将Al含量提高到4%后，合金的热强度显着提高。在三种合金的拉伸部分可以看到明显不同尺寸的细小凹坑，所有这些都是韧性晶间断裂，因为合金在断裂前经历了较大的塑性变形。随着Al含量的增加，合金裂纹中细小凹坑的比例增加。
310S耐热不锈钢是Cr含量为25%，Ni含量为20%的高Cr-Ni奥氏体耐热不锈钢，是一种适用性较好的耐热不锈钢。它具有良好的高温机械性能，同时在高温氧化环境中具有良好的抗腐蚀性能，因此常用于炉管材料、石油化工、化肥厂重整装置。
高温合金的强化方法包括奥氏体固溶强化、晶界强化和两相强化。在Fe-Cr-Ni合金中加入Al、Ti、Nb、Ta等元素可使晶格畸变，提高固溶原子键的吸引力，提高再结晶温度，延缓再结晶过程。它已广泛用于镍基高温合金以提高合金的高温性能。
Al可以与Fe和Ni反应形成热力学稳定且有序的金属间化合物，可以防止位错的滑移和上升。此外，由于键的结合力比较强，原子排列复杂，合金的自扩散系数低，可以获得比较高的变形抗力，可以有比较高的温度强度。这些微量元素吸附在晶界附近，引起局部合金化，改善晶界性能，减缓合金元素沿晶界的扩散过程，防止晶界处碳化物相和空穴的团聚和生长。强化谷物。
奥氏体耐热不锈钢的抗氧化性与表面形成的氧化膜有很强的关系。通过在奥氏体耐热不锈钢中加入适量的Al元素，使钢表面氧化膜的成分由Cr2O3变为Cr2O3和Al2O3。对Fe-Cr-Ni-Al合金的研究表明，Al2O3薄膜稳定性好、结合力强、压缩性好、耐高温、生长缓慢。在高温和腐蚀环境下对材料本身有长期的保护作用，大大提高了合金的抗氧化性。必须添加足够的Al才能获得足够的Al氧化膜，并且根据温升、延长使用时间和环境影响（如水蒸气气氛的变化、负载力的增加等）需要添加Al。如果使用的材料不同，应根据使用环境和使用寿命添加适当的元素。本课题组前期研究了铸造310S钢的抗压性能和Al元素对热轧组织的影响、作用机理和高温抗氧化性能的影响。
本文研究了不同Al含量的310S热轧钢板的高温拉伸性能，通过识别Al元素对高温拉伸性能的影响规律和机制，提供了理论依据。含铝310S不锈钢薄板的研究与制备
1 测试过程
根据表1设计的成分称量各种元素的粉末。混合时，放入QM-BP行星式球磨机，以Al2O3陶瓷球为球磨介质，球磨机转速150r/min左右，混合8小时。将混合均匀的粉末用压机压制成20mm50mm的圆柱体。熔化电流为250A。炉中的样品用氩气保护。压缩气缸放置在WS-4 上。 - 在消耗性真空电弧中熔化。钢水在冷冻水坩埚中存放2分钟后，立即关弧，在铜模中凝固，重熔合金46次。经过多次重熔，组织致密，元素分布均匀。
对熔炼的合金块固体进行抛光以去除表面氧化皮和缺陷。加热炉保温时间30-40分钟，热压坯采用带千斤顶的专用夹具，坯温度1200，坯压力60~80MPa，坯料变形约60% .
拉坯后，试样进行线切割，加工成30mm30mm4mm的块料，然后用手动轧机热轧，试样轧制温度1200，保温时间5分钟，轧制16-20道次后，总轧制后的应变约为40%，即3mm厚的板样。轧制后，将合金在400 C 下保温2 h，然后进行去应力退火，其目的是消除试样在坯料和轧制过程中产生的内应力。
使用EPMA-1600 电子探头，No. 3种合金元素分析结果见表2。除Al元素含量不同外，合金1和2中其他元素的含量没有变化。
按照国家标准GB/T 4338-1995 《金属材料高温拉伸试验》的技术要求，将不同Al含量的310S耐热不锈钢板加工成如图1所示的高温拉伸试样。使用岛津AT-10试验机进行高温拉伸试验。最大载荷100kN，拉伸速度0.3mm/min，拉伸温度800。对各参数的合金进行3次拉伸试验，根据载荷位移曲线计算相应的应力应变值，计算平均值得到应力应变（-）曲线。绘制的-曲线决定了各合金成分的屈服强度、抗拉强度和伸长率。
使用JSM-6700F 扫描电子显微镜观察每个裂缝的形态。
2 测试结果
2.1 高温拉伸性能
图2为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800时的应力-应变曲线。可见，所有合金都具有良好的塑性变形性能。含Al和不含Al的质量分数为2%的合金的高温强度明显低于质量分数为4%的Al合金，而延伸率则远高于后者。
图3为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800下的屈服强度和抗拉强度。含铝和不含铝的质量分数为2% 的310S 耐热不锈钢板在800C 下的屈服强度分别为163 和162 MPa。当Al的质量分数增加到4%时，合金的高温屈服强度大大提高到229 MPa。不含Al和Al的质量分数为2%的310S耐热不锈钢板在800时的抗拉强度基本不变，分别为213 MPa和210 MPa。当Al的质量分数增加到4%时，合金的抗拉强度增加到273 MPa。可以看出，当Al的质量分数为2%以下时，合金的高温强度几乎不受影响，随着Al含量的不断增加，合金的高温强度显着提高。
图4为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800下的延伸率。当Al含量增加时，合金的伸长率先增大后减小，当Al的质量分数为2%时，伸长率最大为36%。含铝和不含铝的质量分数为4% 的合金的伸长率分别为28.2% 和25.5%。以上结果表明，Al的质量分数为2%时，可以提高310S的高温塑性，但对高温抗蠕变性没有帮助，而Al的质量分数为4%时，有助于改善它。耐高温蠕变。
2.2 高温拉伸断口形貌观察
图5为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800拉伸后的断口形貌。三种合金在晶界处均表现出明显的细小凹坑，合金在断裂前经历了较大的塑性变形，三种合金的高温断裂方式均为晶间韧性断裂。
3 讨论
添加Al元素后，在铸态状态下，Al原子固溶于奥氏体基体中。可以看出，基体中仅存在少量的Cr7C3析出物，未发生Al元素富集现象，说明铸态未形成Al4C3析出物。在高温下轧制和轧制试样会严重扭曲晶格，降低铝原子在奥氏体基体中的溶解度，并从基体中析出过量的铝原子。由于奥氏体耐热不锈钢中Ni的质量分数较低，约为20%，Al原子易与C原子结合，不形成(Fe,Ni)Al金属间化合物，而是富Al粒状Al4C3相析出.以往的研究表明，Al含量越高，富集现象越严重。 Al4C3 沉淀物的形成大大减少了可用于形成Cr7C3 沉淀物的C 原子数量。
从显微组织可以看出，三种合金组织致密，元素分布均匀。与第二种合金相比，第一种合金的高温强度基本没有变化。与1号合金相比（图6（a），白色是由Fe、Ni、Cr组成的基体，黑色相是由Cr和C组成的Cr7C3），黑色相是聚集的Cr7C3。 不。 2合金，如图7(a)（基体+白色粒状Cr7C3+黑色大粒状Al4C3+黑色粒状（Fe，Ni）Al金属间化合物），Cr7C3尺寸虽然明显增加，但数量减少显着，表明形貌呈断续链状分布，基体中形成一定量的富铝析出相Al4C3。添加Al元素后，Cr7C3的量减少，对位错迁移和晶间滑移的干扰作用也减弱，减弱了析出物Cr7C3的析出强化作用，强度显着降低，但Al添加细小且稳定分散的Al4C3颗粒（质量分数）约2.7%）在基体的晶界处形成。这些Al4C3 晶粒通过防止位错移动和晶界滑动来补偿Cr7C3 的高电阻。由于位错的干扰作用，即使添加2%的Al，材料的高温强度基本不变。当Al的质量分数增加到4%（合金3）时，合金3的高温强度明显高于合金1和合金2，Cr7C3含量进一步降低，Al4C3含量显着降低。增加（图8）。
不同Al含量合金的X射线衍射图见如图9。所有合金都是奥氏体基体。奥氏体耐热不锈钢在高温下会发生拉伸变形。在载荷作用下均匀变形过程中，合金缺陷和局部应力集中出现微孔，并且这些微孔继续形成和生长。新的微孔在该区域形成并生长。逐渐增长的孔隙相遇并聚结形成小裂纹，并在裂纹发生的地方产生新的应力集中。在这个过程中，由于温度高，晶界粘稠，原子的迁移率比较高。微孔也处于热活化状态，在加载过程中微孔继续相互聚结和聚集，增加了微孔的数量并增加了它们的体积。
当应力超过材料的屈服强度时，310S耐热不锈钢发生塑性变形。在应力作用下，位错在夹杂物和沉积物周围堆积，沉积物颗粒极大地阻碍了位错的运动，在夹杂物与金属的界面处产生了大量额外的微孔。位错不断产生新的位错，滑移面上的位错不断地被推入微孔中，使微孔迅速扩大生长。在高温下，晶界和沉积物对位错的阻挡作用减弱，滑移面上的位错速率加快。微孔的扩张速度加快，合并生长形成较大的微孔。相对而言，Al4C3 颗粒的热稳定性不如Cr7C3（通常Al4C3 颗粒在1400C 下是稳定的）。在高温变形过程中，Al4C3颗粒对位错的干扰作用远大于Cr7C3颗粒对位错的干扰作用。
合金的塑性随着Al含量的增加先增大后减小，质量分数为2%的310S合金的高温塑性较不含Al的310S有所提高。由于合金基体组织中碳化物（Cr7C3晶粒）的尺寸比不含Al的合金大，粗大的沉积物有助于合金的变形。当Al的质量分数增加到4%时，即使碳化物尺寸变大，合金中Al4C3的含量也会增加。细小的析出物强化了奥氏体基体并影响钢的动态再结晶。产生分布的细小沉淀相。它会导致应力集中和晶间断裂。含Al的310S耐热不锈钢的延伸率不随Al含量的增加而增加，但在Al的质量分数为2%时达到最大值。
4。结论
(1)与不含Al的310S耐热不锈钢相比，质量分数为2%的Al的高温强度基本没有变化，但伸长率增加。
(2)Al含量为4%的310S合金的高温强度大大提高，塑性降低。
310S耐热不锈钢是Cr含量为25%，Ni含量为20%的高Cr-Ni奥氏体耐热不锈钢，是一种适用性较好的耐热不锈钢。它具有良好的高温机械性能，同时在高温氧化环境中具有良好的抗腐蚀性能，因此常用于炉管材料、石油化工、化肥厂重整装置。
高温合金的强化方法包括奥氏体固溶强化、晶界强化和两相强化。在Fe-Cr-Ni合金中加入Al、Ti、Nb、Ta等元素可使晶格畸变，提高固溶原子键的吸引力，提高再结晶温度，延缓再结晶过程。它已广泛用于镍基高温合金以提高合金的高温性能。
Al可以与Fe和Ni反应形成热力学稳定且有序的金属间化合物，可以防止位错的滑移和上升。此外，由于键的结合力比较强，原子排列复杂，合金的自扩散系数低，可以获得比较高的变形抗力，可以有比较高的温度强度。这些微量元素吸附在晶界附近，引起局部合金化，改善晶界性能，减缓合金元素沿晶界的扩散过程，防止晶界处碳化物相和空穴的团聚和生长。强化谷物。
奥氏体耐热不锈钢的抗氧化性与表面形成的氧化膜有很强的关系。通过在奥氏体耐热不锈钢中加入适量的Al元素，使钢表面氧化膜的成分由Cr2O3变为Cr2O3和Al2O3。对Fe-Cr-Ni-Al合金的研究表明，Al2O3薄膜稳定性好、结合力强、压缩性好、耐高温、生长缓慢。在高温和腐蚀环境下对材料本身有长期的保护作用，大大提高了合金的抗氧化性。必须添加足够的Al才能获得足够的Al氧化膜，并且根据温升、延长使用时间和环境影响（如水蒸气气氛的变化、负载力的增加等）需要添加Al。如果使用的材料不同，应根据使用环境和使用寿命添加适当的元素。本课题组前期研究了铸造310S钢的抗压性能和Al元素对热轧组织的影响、作用机理和高温抗氧化性能的影响。
本文研究了不同Al含量的310S热轧钢板的高温拉伸性能，通过识别Al元素对高温拉伸性能的影响规律和机制，提供了理论依据。含铝310S不锈钢薄板的研究与制备
1 测试过程
根据表1设计的成分称量各种元素的粉末。混合时，放入QM-BP行星式球磨机，以Al2O3陶瓷球为球磨介质，球磨机转速150r/min左右，混合8小时。将混合均匀的粉末用压机压制成20mm50mm的圆柱体。熔化电流为250A。炉中的样品用氩气保护。压缩气缸放置在WS-4 上。 - 在消耗性真空电弧中熔化。钢水在冷冻水坩埚中存放2分钟后，立即关弧，在铜模中凝固，重熔合金46次。经过多次重熔，组织致密，元素分布均匀。
对熔炼的合金块固体进行抛光以去除表面氧化皮和缺陷。加热炉保温时间30-40分钟，热压坯采用带千斤顶的专用夹具，坯温度1200，坯压力60~80MPa，坯料变形约60% .
拉坯后，试样进行线切割，加工成30mm30mm4mm的块料，然后用手动轧机热轧，试样轧制温度1200，保温时间5分钟，轧制16-20道次后，总轧制后的应变约为40%，即3mm厚的板样。轧制后，将合金在400 C 下保温2 h，然后进行去应力退火，其目的是消除试样在坯料和轧制过程中产生的内应力。
使用EPMA-1600 电子探头，No. 3种合金元素分析结果见表2。除Al元素含量不同外，合金1和2中其他元素的含量没有变化。
按照国家标准GB/T 4338-1995 《金属材料高温拉伸试验》的技术要求，将不同Al含量的310S耐热不锈钢板加工成如图1所示的高温拉伸试样。使用岛津AT-10试验机进行高温拉伸试验。最大载荷100kN，拉伸速度0.3mm/min，拉伸温度800。对各参数的合金进行3次拉伸试验，根据载荷位移曲线计算相应的应力应变值，计算平均值得到应力应变（-）曲线。绘制的-曲线决定了各合金成分的屈服强度、抗拉强度和伸长率。
使用JSM-6700F 扫描电子显微镜观察每个裂缝的形态。
2 测试结果
2.1 高温拉伸性能
图2为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800时的应力-应变曲线。可见，所有合金都具有良好的塑性变形性能。含Al和不含Al的质量分数为2%的合金的高温强度明显低于质量分数为4%的Al合金，而延伸率则远高于后者。
图3为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800下的屈服强度和抗拉强度。含铝和不含铝的质量分数为2% 的310S 耐热不锈钢板在800C 下的屈服强度分别为163 和162 MPa。当Al的质量分数增加到4%时，合金的高温屈服强度大大提高到229 MPa。不含Al和Al的质量分数为2%的310S耐热不锈钢板在800时的抗拉强度基本不变，分别为213 MPa和210 MPa。当Al的质量分数增加到4%时，合金的抗拉强度增加到273 MPa。可以看出，当Al的质量分数为2%以下时，合金的高温强度几乎不受影响，随着Al含量的不断增加，合金的高温强度显着提高。
图4为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800下的延伸率。当Al含量增加时，合金的伸长率先增大后减小，当Al的质量分数为2%时，伸长率最大为36%。含铝和不含铝的质量分数为4% 的合金的伸长率分别为28.2% 和25.5%。以上结果表明，Al的质量分数为2%时，可以提高310S的高温塑性，但对高温抗蠕变性没有帮助，而Al的质量分数为4%时，有助于改善它。耐高温蠕变。
2.2 高温拉伸断口形貌观察
图5为不同Al含量的310S耐热不锈钢板在800拉伸后的断口形貌。三种合金在晶界处均表现出明显的细小凹坑，合金在断裂前经历了较大的塑性变形，三种合金的高温断裂方式均为晶间韧性断裂。
3 讨论
添加Al元素后，在铸态状态下，Al原子固溶于奥氏体基体中。可以看出，基体中仅存在少量的Cr7C3析出物，未发生Al元素富集现象，说明铸态未形成Al4C3析出物。在高温下轧制和轧制试样会严重扭曲晶格，降低铝原子在奥氏体基体中的溶解度，并从基体中析出过量的铝原子。由于奥氏体耐热不锈钢中Ni的质量分数较低，约为20%，Al原子易与C原子结合，不形成(Fe,Ni)Al金属间化合物，而是富Al粒状Al4C3相析出.以往的研究表明，Al含量越高，富集现象越严重。 Al4C3 沉淀物的形成大大减少了可用于形成Cr7C3 沉淀物的C 原子数量。
从显微组织可以看出，三种合金组织致密，元素分布均匀。与第二种合金相比，第一种合金的高温强度基本没有变化。与1号合金相比（图6（a），白色是由Fe、Ni、Cr组成的基体，黑色相是由Cr和C组成的Cr7C3），黑色相是聚集的Cr7C3。 不。 2合金，如图7(a)（基体+白色粒状Cr7C3+黑色大粒状Al4C3+黑色粒状（Fe，Ni）Al金属间化合物），Cr7C3尺寸虽然明显增加，但数量减少显着，表明形貌呈断续链状分布，基体中形成一定量的富铝析出相Al4C3。添加Al元素后，Cr7C3的量减少，对位错迁移和晶间滑移的干扰作用也减弱，减弱了析出物Cr7C3的析出强化作用，强度显着降低，但Al添加细小且稳定分散的Al4C3颗粒（质量分数）约2.7%）在基体的晶界处形成。这些Al4C3 晶粒通过防止位错移动和晶界滑动来补偿Cr7C3 的高电阻。由于位错的干扰作用，即使添加2%的Al，材料的高温强度基本不变。当Al的质量分数增加到4%（合金3）时，合金3的高温强度明显高于合金1和合金2，Cr7C3含量进一步降低，Al4C3含量显着降低。增加（图8）。
不同Al含量合金的X射线衍射图见如图9。所有合金都是奥氏体基体。奥氏体耐热不锈钢在高温下会发生拉伸变形。在载荷作用下均匀变形过程中，合金缺陷和局部应力集中出现微孔，并且这些微孔继续形成和生长。新的微孔在该区域形成并生长。逐渐增长的孔隙相遇并聚结形成小裂纹，并在裂纹发生的地方产生新的应力集中。在这个过程中，由于温度高，晶界粘稠，原子的迁移率比较高。微孔也处于热活化状态，在加载过程中微孔继续相互聚结和聚集，增加了微孔的数量并增加了它们的体积。
当应力超过材料的屈服强度时，310S耐热不锈钢发生塑性变形。在应力作用下，位错在夹杂物和沉积物周围堆积，沉积物颗粒极大地阻碍了位错的运动，在夹杂物与金属的界面处产生了大量额外的微孔。位错不断产生新的位错，滑移面上的位错不断地被推入微孔中，使微孔迅速扩大生长。在高温下，晶界和沉积物对位错的阻挡作用减弱，滑移面上的位错速率加快。微孔的扩张速度加快，合并生长形成较大的微孔。相对而言，Al4C3 颗粒的热稳定性不如Cr7C3（通常Al4C3 颗粒在1400C 下是稳定的）。在高温变形过程中，Al4C3颗粒对位错的干扰作用远大于Cr7C3颗粒对位错的干扰作用。
合金的塑性随着Al含量的增加先增大后减小，质量分数为2%的310S合金的高温塑性较不含Al的310S有所提高。由于合金基体组织中碳化物（Cr7C3晶粒）的尺寸比不含Al的合金大，粗大的沉积物有助于合金的变形。当Al的质量分数增加到4%时，即使碳化物尺寸变大，合金中Al4C3的含量也会增加。细小的析出物强化了奥氏体基体并影响钢的动态再结晶。产生分布的细小沉淀相。它会导致应力集中和晶间断裂。含Al的310S耐热不锈钢的延伸率不随Al含量的增加而增加，但在Al的质量分数为2%时达到最大值。
4。结论
(1)与不含Al的310S耐热不锈钢相比，质量分数为2%的Al的高温强度基本没有变化，但伸长率增加。
(2)Al含量为4%的310S合金的高温强度大大提高，塑性降低。
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