加工工藝對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管高溫拉伸性能的影響

供稿|趙林科，于軍輝，李小寧 /

0Cr18Ni10Ti不銹鋼屬于Cr-Ni奧氏體不銹鋼系列，不僅具有優(yōu)良的抗氧化性和耐腐蝕性能，還具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，在核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)件中得到了廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼進(jìn)行了大量的研究。羅通偉[1]介紹了TiN對(duì)0Cr18Ni10Ti的耐腐蝕性能具有不利的影響，提出了通過(guò)選擇適宜的原輔材料、冶煉工藝流程及工藝參數(shù)可有效降低鋼中TiN含量。傅前進(jìn)[2]等針對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼的鍛造變形、加熱溫度進(jìn)行了研究，確定了采用穩(wěn)定化處理+中低溫鍛造變形+靜態(tài)再結(jié)晶細(xì)化晶粒的方法可有效的提高材料的抗拉強(qiáng)度。余志川[3]認(rèn)為提高α相含量和冷軋變形量可有效的提高管材高溫拉伸性能。馬勝斌[4]認(rèn)為對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼中的化學(xué)成分、α相和晶粒度進(jìn)行控制，可有效的提高高溫拉伸性能。王學(xué)鵬和石國(guó)發(fā)[5]研究了0Cr18Ni10Ti不銹鋼在固溶中保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響，最終獲得非比例延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律。

高溫拉伸性能是0Cr18Ni10Ti 的基本性能之一，f10 mm×0.5 mm的0Cr18Ni10Ti不銹鋼管常被作為核反應(yīng)堆控制棒包殼，反應(yīng)堆中高溫高壓的環(huán)境對(duì)其高溫力學(xué)性能提出了較高的要求，間接評(píng)價(jià)了0Cr18Ni10Ti不銹鋼堆內(nèi)運(yùn)行的可靠性，因此開(kāi)展0Cr18Ni10Ti不銹鋼包殼管高溫拉伸性能的課題是目前核材料工作者研究的熱點(diǎn)之一。有關(guān)加工工藝對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管高溫拉伸性能的影響目前尚未報(bào)道，本文研究了變形量、固溶溫度及矯直次數(shù)對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管高溫拉伸性能的影響，為核材料的理論和實(shí)踐提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為0Cr18Ni10Ti不銹鋼包殼管，其化學(xué)成分如表1所示。由管坯(f19 mm×1.2 mm)依次經(jīng)過(guò)軋制、除油、固溶、拉拔、矯直、拋光及酸洗加工至成品管材(f10 mm×0.5 mm)。拉拔變形量分別為8%、10%及13%，固溶溫度分別為1020、1040及1060℃，分別進(jìn)行一次和二次矯直。對(duì)以上不同加工工藝的材料進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值作為材料的拉伸性能。

表1 0Cr18Ni10Ti不銹鋼主要化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

拉拔變形量對(duì)高溫拉伸性能的影響

圖1為拉拔變形量對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管320℃高溫拉伸性能的影響關(guān)系圖。從圖1可見(jiàn)，隨著拉拔變形的增加，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管的高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著降低，而高溫延伸率明顯升高。0Cr18Ni10Ti不銹鋼是Fe-Cr系奧氏體不銹鋼，該鋼通過(guò)添加了Ti元素從而形成TiC和TiN相來(lái)強(qiáng)化鋼的力學(xué)性能。隨著變形量的增大，鋼中TiC和TiN相的析出更加困難，導(dǎo)致TiC和TiN相的強(qiáng)化作用減弱，因此屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著降低，延伸率明顯升高[1-4]。

圖1 拉拔變形量對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管320℃高溫拉伸性能的影響

固溶溫度對(duì)高溫拉伸性能的影響

圖2 為固溶溫度對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管320℃高溫拉伸性能的影響關(guān)系圖。隨著固溶溫度的升高，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管的高溫抗拉強(qiáng)度先升高后降低，屈服強(qiáng)度升高，延伸率降低。這是由于在1020～1040℃固溶溫度時(shí)，0Cr18Ni10Ti不銹鋼中析出的TiN和TiC二次粒子數(shù)量較多，該粒子彌散分布在晶內(nèi)和晶界處，具有強(qiáng)化的效果，所以抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高，延伸率降低；隨著固溶溫度的升高，即在1040～1060℃時(shí)，鋼中原有析出的TiN和TiC二次相會(huì)逐漸溶解于奧氏體中，從而造成鋼的抗拉強(qiáng)度顯著下降[3-8]，而1040～1060℃之間不銹鋼的屈服強(qiáng)度和延伸率的變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

圖2 固溶溫度對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管320℃高溫拉伸性能的影響

矯直次數(shù)對(duì)高溫拉伸性能的影響

圖3為矯直次數(shù)對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管的320℃高溫拉伸性能的影響關(guān)系圖。從圖3中可見(jiàn)，隨著矯直次數(shù)的增加，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管的高溫抗拉強(qiáng)度先降低后變化不大，高溫屈服強(qiáng)度略有升高，延伸率變化不大。0Cr18Ni10Ti不銹鋼管矯直的目的主要為提高鋼管的直線度，對(duì)于管材局部尺寸偏大處采用壓力方法進(jìn)行調(diào)整確保0Cr18Ni10Ti不銹鋼管的外徑尺寸達(dá)到要求。由于只是對(duì)鋼管尺寸進(jìn)行微調(diào)，即鋼的變形量變化不大，所以鋼的高溫延伸率變化不大，而屈服強(qiáng)度略有升高。鋼在二次矯直后，抗拉強(qiáng)度變化不大，而對(duì)于一次矯直后，0Cr18Ni10Ti不銹鋼的抗拉強(qiáng)度明顯降低的趨勢(shì)有待進(jìn)一步研究。

圖3 矯直次數(shù)對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管320℃高溫拉伸性能的影響

結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同拉拔變形量、不同固溶溫度、不同矯直次數(shù)加工的0Cr18Ni10Ti不銹鋼包殼管320℃高溫拉伸性能的測(cè)試，摸索了加工工藝對(duì)0Cr18Ni10Ti不銹鋼管高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律：隨著拉拔變形量的增大，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管的高溫拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯降低，延伸率顯著升高；隨著固溶溫度的升高，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管高溫抗拉強(qiáng)度先升高后降低，屈服強(qiáng)度升高，延伸率降低；隨著矯直次數(shù)的增加，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管的高溫抗拉強(qiáng)度先降低后變化不大，高溫屈服強(qiáng)度略有升高，延伸率變化不大。

攝影 賈大庸

[1] 羅通偉. 0Cr18Ni10Ti鋼中TiN夾雜物的危害及應(yīng)對(duì)措施. 特鋼技術(shù)，2014(3)：1

[2] 傅前進(jìn)，劉波，張思清，等. 0Cr18Ni10Ti鋼鍛造工藝研究. 大型鑄鍛件，2001(4)：3

[3] 余志川. 0Cr18Ni10Ti管材350℃性能問(wèn)題探討. 特鋼技術(shù)，2015(3)：11

[4] 馬勝斌. 0Cr18Ni10Ti中溫(350℃)性能探討. 特鋼技術(shù)，2013(4)：24

[5] 王學(xué)鵬，石國(guó)發(fā). 大型電機(jī)材料0Cr18Ni10Ti不銹鋼的高溫力學(xué)性能. 理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2016，52(3)：159

[6] 羅毅軍. 反應(yīng)堆冷卻劑主管道316LN新型管材替代321管材的可行性研究. 核動(dòng)力工程，2013，34(5)：80

[7] 吳杰. 關(guān)于0Cr18Ni10Ti鋼高溫R_(P0.2)數(shù)據(jù)異常的分析. 特鋼技術(shù)，2013(2)：56

[8] 肖紀(jì)美. 不銹鋼的金屬學(xué)問(wèn)題. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006