熱處理對(duì)316L奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)、力學(xué)和耐腐蝕性能的影響

黨麗

摘要：通過(guò)熱處理改變316L奧氏體不銹鋼α和β相的體積分?jǐn)?shù)，可以?xún)?yōu)化氣體金屬電弧添加劑制造（GMA-AM）316L奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能和腐蝕性能。結(jié)果表明，1000—1200℃熱處理1h對(duì)鋼中晶粒形貌影響不大，但對(duì)盯、8相含量影響較大。1000℃熱處理有效地提高了鋼中盯相的含量，使鋼的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高，而彈性模量和屈服強(qiáng)度都有所降低。1100～1200℃的熱處理完全消除了α相，導(dǎo)致極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，而彈性模量和屈服強(qiáng)度增加。盯相的強(qiáng)化效果優(yōu)于β相，但會(huì)降低鋼的塑性，增加鋼中產(chǎn)生裂紋的可能性。同時(shí)，通過(guò)熱處理限制鋼的α相和8相的數(shù)量，可以提高鋼的耐蝕性。與β相相比，α相對(duì)鋼的耐腐蝕性能的影響更大。

關(guān)鍵詞：氣體金屬電弧添加劑;奧氏體不銹鋼;熱處理;α相;拉伸性能;腐蝕性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）01—0046—04

0引言

奧氏體不銹鋼具有穩(wěn)定、完整的奧氏體組織，由于其優(yōu)良的耐腐蝕性、足夠的高溫力學(xué)性能，在化學(xué)生產(chǎn)、輪船制造、高溫螺栓、核反應(yīng)堆等現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，良好的可制造性和焊接性。添加劑制造可以直接制造和修理金屬零件，減少加工時(shí)間和成本。與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造等制造技術(shù)相比，添加劑制造具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，特別是對(duì)于大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造和修復(fù)。添加劑制造具有溫度梯度高、冷卻速度快、循環(huán)加熱等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的制造工藝相比，具有較大的微觀組織差異。

研究了316L奧氏體不銹鋼在熱處理過(guò)程中的相變行為和結(jié)構(gòu)變化，優(yōu)化了316L奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能和腐蝕性能。

1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1微觀結(jié)構(gòu)表征

使用放電絲從沉積部件上切下金相試樣，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械拋光和蝕刻（4g CuSO4、20mL HCl和20mL H2O）。采用奧林巴斯BX51M光學(xué)顯微鏡（OM）和JSM-6010掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)GMA-AM 316L的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。在工作距離為3um的JEOL-JEM 7001F中，采用電子背散射衍射（EB.SD）技術(shù)對(duì)晶體的織構(gòu)和取向進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)分析相應(yīng)的電子背散射圖樣來(lái)識(shí)別晶體的織構(gòu)和取向。SEM和EBSD成像的加速電壓為20kV。用Image-Pro-Plus軟件對(duì)同一試樣的3張SEM照片計(jì)算了沉積態(tài)和熱處理后GMA-AM 316L中β相和α相的體積分?jǐn)?shù)。

1.2拉伸實(shí)驗(yàn)

采用50kN-SANS電子拔火機(jī)，最大載荷50kN，十字頭轉(zhuǎn)速0.5mm/min，按ISO 6892-1：2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，用電子引伸計(jì)測(cè)量應(yīng)變。為進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，制備了直徑5mm、標(biāo)距35mm、總長(zhǎng)71mm的圓形試樣。拉伸試樣的主軸與沉積方向平行。為了減小測(cè)量誤差，對(duì)3個(gè)相同條件下的試樣進(jìn)行了平均值計(jì)算。用掃描電鏡（sEM）觀察拉伸試樣的斷口和斷面。

1.3電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

將電化學(xué)測(cè)試用試樣切成12mmx12mmx2mm的尺寸，作為鑲嵌在環(huán)氧樹(shù)脂中的工作電極。通過(guò)在試樣背面點(diǎn)焊一根銅導(dǎo)線，使試樣從后部電接觸。各工作電極表面用連續(xù)級(jí)碳化硅砂紙打磨

2000^#砂，再用0.5um金剛石膏拋光。電極的非工作表面用硅橡膠密封。在25℃的3.5wt%NaCl溶液中使用相應(yīng)的電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)。用去離子水和分析級(jí)化學(xué)品制備溶液。電化學(xué)池由3個(gè)電極組成：對(duì)電極、參比電極和工作電極。分別用鉑箔和飽和甘汞電極（sCE）作為計(jì)數(shù)電極和參比電極。本工作中引用的所有電位均指SCE。在試樣浸入之前，以0.15L/min的速率將氮?dú)夤呐?0min，以降低溶液中的氧含量。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，通氣繼續(xù)進(jìn)行。為了得到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，開(kāi)路電位（Eo）被記錄了30min。在給定的掃描速度（30mV/min）下，通過(guò)將電位從穩(wěn)定開(kāi)路電位以下50mV掃過(guò)，直到電流密度超過(guò)10^-4/cm²，來(lái)進(jìn)行動(dòng)電位極化測(cè)量。電流密度顯著增加時(shí)的電位被認(rèn)為是點(diǎn)蝕電位（Ep）。采用Tafel外推法，根據(jù)動(dòng)電位極化曲線測(cè)定了不同試樣的腐蝕電流密度。

2結(jié)果

2.1微觀結(jié)構(gòu)

然而，鋼的晶粒很難從SEM圖像中分辨出來(lái)，因此采用了EBSD技術(shù)。圖2顯示了已沉積和熱處理鋼的EBSD取向成像圖和倒極圖。各種顏色對(duì)應(yīng)于奧氏體晶粒相對(duì)于晶格的取向，每種顏色對(duì)應(yīng)于歐拉角的獨(dú)特組合。因此，具有相同晶體學(xué)取向的晶粒具有相似的顏色。在沉積態(tài)鋼中，晶粒呈柱狀形態(tài)（圖2（a））。在1000℃-1200℃熱處理1h后，柱狀晶粒與沉積態(tài)相比無(wú)明顯變化（圖2（b）-（d））。1200℃下較長(zhǎng)的保溫時(shí)間導(dǎo)致晶粒粗化，并從柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀，如圖2（e）所示。

2.2拉伸性能

根據(jù)沉積鋼和熱處理鋼的應(yīng)力/應(yīng)變曲線（圖3），計(jì)算帶有誤差棒的極限和屈服強(qiáng)度（Ys）。熔敷鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到533MPa和235MPa。1000℃熱處理1h，極限強(qiáng)度由533MPa增加到549MPa，屈服強(qiáng)度由235MPa增加到242MPa，延伸率由48%下降到41%，斷面收縮率由64%下降到61%。在1100～1200℃熱處理時(shí)，熱處理鋼的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降低到474MPa和204MPa，而熱處理鋼的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高到70%和83%。熔敷鋼的力學(xué)性能與固溶處理的316L鋼相當(dāng)，但在1100%和1200%熱處理時(shí)，鋼的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于鍛造316L鋼，熔敷鋼和熱處理鋼的拉伸性能均優(yōu)于鍛造316L鋼的工業(yè)要求。

圖4（a）和（c）分別顯示了沉積態(tài)和熱處理（1100℃/lh）鋼的斷裂表面。熱處理（1100℃/1h）鋼的斷面收縮率比沉積鋼大。高倍的斷口（圖4（b）和（d））顯示了凹陷表面，這表明沉積態(tài)和熱處理態(tài)鋼的斷裂類(lèi)型屬于韌性斷裂。

2.3腐蝕性能

用動(dòng)電位極化法研究了沉積態(tài)和熱處理態(tài)鋼在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能。圖5和表2示出了相應(yīng)的極化曲線和電化學(xué)參數(shù)的測(cè)量值。低腐蝕電流密度（i COlT）和點(diǎn)蝕電位與腐蝕電位之間的高差（△E）表明腐蝕速率慢，耐腐蝕性高。根據(jù)表3，i腐蝕的低至高階為（1200℃/4h）<（1200℃/1h）<（1100℃/1h）<（1000℃/1h）<沉積態(tài)，以及AE的高至低階，表明鋼的耐腐蝕性從高到低階。結(jié)果表明，熱處理可以提高鋼的耐蝕性。特別是熱處理（1200℃/4h）鋼的耐蝕性最好。

3結(jié)語(yǔ)

1）1000℃熱處理有效地提高了鋼中α相的含量，使殘余8相球化。1100℃、1200℃熱處理1h，α相完全溶解于y基體中，δ相隨熱處理溫度的升高而減小。在1000～1200℃熱處理1h后，由于δ相和α相的釘扎作用，柱狀晶沒(méi)有明顯的變化。1200℃保溫時(shí)間長(zhǎng)，晶粒由柱狀變?yōu)榈容S狀，δ和a相完全溶解。

2）α相的增加導(dǎo)致1000℃熱處理后鋼的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加，而熱處理后鋼的屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低;1100～1200℃熱處理完全消除了α相，導(dǎo)致極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，而屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加。熔敷鋼和熱處理鋼的拉伸性能均超過(guò)316L鋼的工業(yè)要求。鋼中α相的強(qiáng)化效果優(yōu)于δ相，但對(duì)塑性的影響更大。α相增加了裂紋產(chǎn)生的可能性。

3）熱處理提高了鋼的耐蝕性，隨著熱處理溫度和時(shí)間的增加，鋼的耐蝕性提高。α相的形成導(dǎo)致了盯相界面處的Cr虧損區(qū)，從而增加了腐蝕的敏感性。與δ相相比，α相對(duì)鋼的耐腐蝕性能的影響更大。經(jīng)過(guò)熱處理（1200℃/4h）的全奧氏體組織具有最好的耐腐蝕性。