冷軋AISI 304不銹鋼微觀組織及力學(xué)性能的變化

李勇峰，蔡麗安，馬利杰，劉貫軍

(1.河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003；2.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200234)

冷軋AISI 304不銹鋼微觀組織及力學(xué)性能的變化

李勇峰1，蔡麗安2，馬利杰1，劉貫軍1

(1.河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003；2.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200234)

采用金相顯微鏡、鐵素體測(cè)量?jī)x、硬度計(jì)及力學(xué)分析等手段，研究了AISI 304不銹鋼的微觀組織和力學(xué)性能在冷軋過(guò)程中的演變規(guī)律. 試驗(yàn)結(jié)果表明：冷軋變形可使AISI 304不銹鋼產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體相變，試樣中金屬晶粒沿著軋制方向被拉扁拉長(zhǎng)；在冷軋壓下量較小時(shí)，僅有少量的奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，并且馬氏體組織以板條狀出現(xiàn)；冷軋壓下量較大時(shí)，金屬晶粒逐漸被拉長(zhǎng)為纖維狀；隨著冷軋壓下量的增大，馬氏體體積分?jǐn)?shù)、硬度和抗拉強(qiáng)度均隨之增大，但延伸率逐步下降.

冷軋；形變馬氏體；AISI 304不銹鋼；壓下量

奧氏體不銹鋼具有不銹、無(wú)磁等特性以及優(yōu)良的塑性、韌性等性能，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且在全世界范圍內(nèi)的生產(chǎn)和需求量保持持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[1]. AISI 304不銹鋼屬于亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體不銹鋼，由于其屈服強(qiáng)度值僅為約200 MPa[2]，強(qiáng)度較低，因此其在結(jié)構(gòu)件中的使用受到了一定程度的限制. 但AISI 304不銹鋼具有優(yōu)異的冷加工性能，通常情況下通過(guò)相變強(qiáng)化、加工硬化或細(xì)晶強(qiáng)化等措施，可使奧氏體不銹鋼得到顯著強(qiáng)化[3-5]. 強(qiáng)化后的不銹鋼板可廣泛用于各種汽車(chē)車(chē)體、廚房用具、食品工業(yè)設(shè)備以及壓力容器、電子工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[6]. AISI 304不銹鋼在冷軋過(guò)程中將發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變，使得其屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、應(yīng)變硬化率以及抗拉強(qiáng)度均發(fā)生變化[7-8]. 因此，研究這類(lèi)不銹鋼的形變強(qiáng)化規(guī)律及其微觀組織和力學(xué)性能的變化，對(duì)擴(kuò)大奧氏體不銹鋼的使用范圍有重要意義. 使用領(lǐng)域不同對(duì)AISI 304不銹鋼冷軋后的性能要求也不同，因此需要根據(jù)不同的使用條件，選擇對(duì)應(yīng)的最佳冷加工性能. 本文通過(guò)研究冷軋AISI 304不銹鋼的微觀組織和力學(xué)性能的演變規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化生產(chǎn)提供相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo).

1　試驗(yàn)方法和步驟

試驗(yàn)所用材料為某鋼鐵公司提供的AISI 304奧氏體不銹鋼薄板，其化學(xué)成分為：C(0.072%)， Si(0.57%)， Mn(1.43%)， Cr(18.24%)， Ni(8.06%)， Cu(0.07%)， Mo(0.16%)， S(0.008 8%)， P(0.048%)， Fe余量，其中括號(hào)內(nèi)數(shù)值為每種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

試驗(yàn)開(kāi)始前，為了消除試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力及各向異性，對(duì)試樣進(jìn)行(1050±10)℃的熱處理，恒溫0.5 h 后進(jìn)行水淬固溶處理. 將熱處理后的材料裁剪成100 mm×50 mm×5 mm大小的試樣，用該公司的小型軋鋼機(jī)進(jìn)行多道次的單向軋制變形，每道次的冷軋壓下量約為5%～20%. 通過(guò)調(diào)整冷軋機(jī)，得到5種不同壓下量(11.60%， 23.00%， 48.65%，74.00%， 82.95%)的試樣. 具體冷軋變形量如表1所示.

表1　不同冷軋變形量的試樣Table 1　Specimens of different cold-rolled thickness reduction degrees

利用金相顯微鏡觀察不同壓下量冷軋后形變?cè)嚇拥慕M織形貌. 采用Helmut Fischer GmbH公司生產(chǎn)的MP3C型鐵素體測(cè)量?jī)x定量測(cè)定帶有鐵磁性的α馬氏體相體積分?jǐn)?shù)，測(cè)量前需采用標(biāo)準(zhǔn)的鐵素體試樣進(jìn)行校準(zhǔn). 采用線切割機(jī)將不同壓下量條件下的冷軋?jiān)嚇影磭?guó)標(biāo)切割成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，標(biāo)距l(xiāng)0=50 mm. 然后放在MTS 810.10型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm/min，分別測(cè)定每種試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率. 采用HXD-1000 TM型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量不同壓下量冷軋后平行于板材表面的維氏硬度值.

2　結(jié)果與討論

2.1冷軋?jiān)嚇拥娘@微組織觀察及馬氏體相體積分?jǐn)?shù)的變化

圖1所示為AISI 304不銹鋼在不同冷軋壓下量下軋制變形后的金相纖維組織圖. 從圖1(a)可以看出，試樣在經(jīng)過(guò)固溶處理后，內(nèi)部均為奧氏體組織. 當(dāng)壓下量為11.60%時(shí)，試樣中的大部分奧氏體組織仍保持奧氏體相不變，只有極少數(shù)的奧氏體組織受冷軋形變影響轉(zhuǎn)為板條狀馬氏體相. 當(dāng)壓下量繼續(xù)增大，試樣中的形變馬氏體量明顯增多，由于在冷軋過(guò)程中出現(xiàn)形變能，導(dǎo)致晶界變得較粗糙. 當(dāng)壓下量為82.95%時(shí)，試樣中大部分奧氏體組織受冷軋形變影響誘發(fā)為馬氏體組織. 從圖1還可以看出，隨著壓下量的增大，試樣中各晶粒的滑移方向都向軋制方向轉(zhuǎn)向，逐漸趨于相同的取向，而且晶粒也逐漸被拉扁、拉長(zhǎng)，當(dāng)壓下量較大時(shí)，晶粒逐漸被拉長(zhǎng)為纖維狀.

(a) 初始態(tài)

(b) 11.60%

(c) 23.00%

(d) 48.65%

(e) 74.00%

(f) 82.95%圖1　不同壓下量冷軋?jiān)嚇拥娘@微組織Fig.1　Microstructures of cold-rolled specimens under different thickness reduction degree

α馬氏體相的體積分?jǐn)?shù)與冷軋壓下量的關(guān)系曲線如圖2所示. 由圖2可知，隨著冷軋壓下量的增大，試樣中馬氏體體積分?jǐn)?shù)隨之增加，當(dāng)冷軋壓下量從0%增大到82.95%時(shí)，試樣中的馬氏體體積分?jǐn)?shù)從0%增大到92%. 這個(gè)結(jié)果與圖1金相顯微組織觀察的結(jié)果一致.

圖2　不同壓下量對(duì)應(yīng)的馬氏體體積分?jǐn)?shù)Fig.2　Volume fraction of martensite under different thickness reduction

2.2冷軋?jiān)嚇拥挠捕茸兓?/p>

不同冷軋壓下量對(duì)應(yīng)的試樣表面硬度值如圖3所示. 從圖3可以看出，試樣的硬度值隨著冷軋壓下量的增加而顯著增大. 當(dāng)試樣在固溶處理狀態(tài)時(shí)，其表面硬度值僅為181.32 kg/mm2. 當(dāng)冷軋壓下量為48.65%時(shí)，試樣表面的硬度值增大到440 kg/mm2. 尤其當(dāng)冷軋壓下量為82.95%時(shí)，試樣表面的硬度值高達(dá)599.73 kg/mm2. 這主要是因?yàn)殡S著變形量的增加，試樣內(nèi)條狀馬氏體組織顯著增多，形變孿晶的數(shù)量增多，在冷軋過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)較硬的形變馬氏體，促進(jìn)了材料硬化程度的提高.

圖3　不同冷軋壓下量對(duì)應(yīng)的表面硬度Fig.3　Surface hardness under different thickness reduction

2.3冷軋?jiān)嚇涌估瓘?qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率的變化

AISI 304不銹鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率隨不同冷軋壓下量的變化如圖4所示.

圖4　不同壓下量冷軋?jiān)嚇拥那?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率Fig.4　Yield strength, tensile strength and elongation of cold-rolled specimens under different thickness reduction degree

從圖4可以看出，隨著冷軋壓下量的增大，試樣的抗拉強(qiáng)度逐步變大，而試樣的延伸率(塑性)逐步降低. 試樣在固溶處理狀態(tài)(未冷軋)時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為713 MPa，屈服強(qiáng)度為285 MPa，延伸率為57.5%，屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比)約為0.4. 當(dāng)壓下量為48.65%時(shí)，冷軋?jiān)嚇拥目估瓘?qiáng)度增加到1244.5 MPa，屈服強(qiáng)度增加到1064.09 MPa，屈強(qiáng)比提高到0.85，而延伸率與強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相反，降為13.8%. 隨著壓下量的增大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加，但是試樣的延伸率明顯下降. 當(dāng)壓下量為82.95%時(shí)，冷軋?jiān)嚇拥目估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別高達(dá)1740.60 和1684.27 MPa，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的差值很小，屈強(qiáng)比高達(dá)0.97，延伸率降為3.65%. 這些結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)AISI 304不銹鋼的冷軋變形，可使其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到大幅度強(qiáng)化，但同時(shí)其延伸率大大降低. 結(jié)合上文研究可知，這主要是因?yàn)樵诶滠堊冃芜^(guò)程中，AISI 304不銹鋼中大量的奧氏體相誘變?yōu)轳R氏體相，并且使鋼中位錯(cuò)密度增加，阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，因而其變形抗力增大，進(jìn)而形變強(qiáng)化能力提高，塑性變形能力降低.

3　結(jié)　語(yǔ)

冷軋變形可使AISI 304亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼產(chǎn)生形變誘導(dǎo)致馬氏體相變，并且相變馬氏體體積分?jǐn)?shù)隨著冷軋壓下量的增加而顯著增大. 在冷軋過(guò)

程中，試樣中金屬晶粒沿著軋制方向被拉扁、拉長(zhǎng). 當(dāng)冷軋壓下量較大時(shí)，金屬晶粒逐漸被拉長(zhǎng)為纖維狀. 通過(guò)冷軋工藝，可使AISI 304不銹鋼得到大幅度強(qiáng)化，硬度得到顯著提高. 但由于冷軋促使馬氏體發(fā)生形變，同時(shí)會(huì)使鋼中位錯(cuò)密度增加，阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，其塑性變形能力降低.

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Evolution of the Microstructure and Mechanical Properties of AISI 304 Stainless Steels in Cold-Rolled

LIYong-feng1,CAILi-an2,MALi-jie1,LIUGuan-jun1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China;2. College of Information, Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Normal University, Shanghai 200235, China)

Evolution of the microstructure and mechanical properties of AISI 304 stainless steels in cold-rolled was investigated by means of metallurgical microscopy, ferrite content measuring instrument, hardness tester and mechanical analysis. The results reveal that deformation-induced martensitic transformation can be produced in AISI 304 stainless steels by cold-rolled, and the metal grains of the specimens are extended and oriented along the rolling direction. When the cold-rolled thickness reduction degree is small, only a very small fraction of the austenite phase is transformed into the martensite phase, and the martensite phase appears in the form of laths. When the cold-rolled thickness reduction degree is large, the metal grains are gradually elongated to be fibrous. With the increase of thickness reduction degree, the volume fraction of martensite, hardness and tensile strength are on rise, but the elongation gradually decreases.

cold-rolled; deformation-induced martensite; AISI 304 stainless steel; thickness reduction degree

1671-0444(2015)04-0518-03

2014-12-10

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究資助項(xiàng)目(142300410016)；上海師范大學(xué)一般科研資助項(xiàng)目(SK201224)

李勇峰(1979—)，男，河南安陽(yáng)人，講師，博士，研究方向?yàn)榻饘俨牧细g與防護(hù)、表面再制造. E-mail：lyf16816800@163.com

TG 142.71

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