应变强化奥氏体不锈钢的低温冲击韧性

陈 勇，陆戴丁，孔韦海

（合肥通用机械研究院，国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽省压力容器与管道安全技术重点实验室，合肥 230031）

0 引 言

近年来，采用奥氏体不锈钢应变强化技术制造压力容器已成为深冷容器轻量化的重要技术手段[1-4]。应变强化处理虽然提高了材料的屈服强度，但却损耗了材料的部分塑性，研究应变强化后奥氏体不锈钢低温力学性能的变化规律是确定应变强化工艺参数的重要基础。奥氏体不锈钢在应变强化过程中可能会诱发马氏体相变，生成的马氏体属于硬脆相，会对奥氏体不锈钢的组织和力学性能产生影响[5-8]。奥氏体不锈钢中的奥氏体在深冷环境中具有一定的热诱发马氏体相变倾向[9-10]，也可能会产生一定量的马氏体。由于深冷试验条件苛刻，目前对于经过室温应变强化处理的奥氏体不锈钢在深冷环境（不高于-196℃）中韧性的研究报道较少。为此，作者研究了室温下应变强化处理对S30408和S31603两种奥氏体不锈钢冲击韧性的影响，为奥氏体不锈钢进行了不同应变量的应变强化处理，研究了应变强化对其深冷低温容器的设计制造、安全运行提供数据支持。

1 试样制备与试验方法

试验材料选择某厂热轧生产的S31603（板厚12 mm）和S30408（板厚16 mm）奥氏体不锈钢钢板，它们的化学成分及力学性能如表1，2所示。考虑成品分析允许偏差，各元素含量以及力学性能指标符合GB/T 24511—2009[11]标准要求。

按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》，采用WE-30型试验机在室温下进行拉伸试验（应变强化处理），加载速度为2 mm·min-1，应变量分别为0，2.5%，5%，7.5%，10%，20%，拉伸试样的尺寸为12 mm×12 mm×100 mm。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Tab.1 Composition analysis of experimental steels(mass) %

表2 试验钢的室温力学性能Tab.2 Mechanical properties of experimental steels at ambient temperature

拉伸（应变强化处理）后，在试样标距中心位置切取10 mm长矩形试块，手工打磨抛光后采用质量分数10%草酸溶液进行电解腐蚀，然后采用XJG-05型光学显微镜观察显微组织。低温处理方法为将试样浸泡在液氮及液氦中2 h，使试样降温到77 K和4.2 K，取出后重复上述打磨抛光腐蚀过程，进行显微组织观察。

按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》加工标准冲击试样（尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口，深2 mm），冲击试验在ZBC2452N-4型摆锤式冲击试验机上进行，试验温度范围为室温～-269℃（300～4.2 K），每个温度取3个试样进行测试。采用SRDK-408S型GM制冷机实现300～10 K低温，温度测控仪由LakeshoreDT670传感器和Lakeshore336控温仪组成，并以一定的过冷温度补偿来保证试验温度。采用持续喷淋液氦的方法使试样温度降至-269℃（4.2 K）并保温15 min后进行冲击试验。

2 试验结果与讨论

2.1 应变量对室温冲击韧性的影响

由图1～2可知，S30408钢和S31603钢的室温冲击吸收能随着应变量的增大而逐渐降低。当应变量从0增大至20%时，S30408钢和S31603钢的冲击吸收能平均值分别由286 J和312 J降至140 J和180 J。

图1 不同应变量强化后S30408钢的室温冲击吸收能Fig.1 Impact absorbed energy of S30408 steel after strengthening with different strain degrees at room temperature

图2 不同应变量强化后S31603钢的室温冲击吸收能Fig.2 Impact absorbed energy of S31603 steel after strengthening with different strain degrees at room temperature

由图3，4可见，两种钢的原始态组织均主要为奥氏体相，应变强化后（以应变量20%为例）部分奥氏体相发生马氏体相变，并产生了一定量的马氏体，显微组织为马氏体相与奥氏体相混合组织；且应变量越大，马氏体含量越多（相应的图略）。

图3 S30408钢室温应变强化处理前后的显微组织Fig.3 Microstructure of S30408 steel before(a) and after(b) strain strengthening

图4 S31603钢室温应变强化处理前后的显微组织Fig.4 Microstructure of S31603 steel before(a) and after(b) strain strengthening

拉伸变形过程中材料晶格结构畸变以及部分奥氏体相发生马氏体相变是导致奥氏体不锈钢冲击韧性降低的主要原因[12-14]。S30408钢和S31603钢经应变强化后，其晶格结构畸变严重，位错密度增加；另一方面应变诱发产生的α'马氏体相为体心立方晶格结构，其强度、硬度高，而塑性、韧性低。所以应变强化后S30408钢和S31603钢冲击韧性都有所下降。

2.2 应变强化对低温冲击韧性的影响

对于奥氏体不锈钢而言，温度低于马氏体转变起始温度MS后，面心立方晶格结构的奥氏体可能会发生马氏体相变，形成一定量的热诱发马氏体[15]。奥氏体不锈钢低温冲击韧性取决于奥氏体相及马氏体相的体积分数，试验温度高于MS时，显微组织主要为奥氏体相，试验温度低于MS时，部分奥氏体开始转变为α'马氏体相。

由图5，6可知，应变强化前两种钢的冲击吸收能均随着试验温度的降低而逐渐降低，但当温度低于-196℃（77 K）后趋于平缓，并未呈现连续下降的趋势，而是出现“平台”。从室温降至-196℃（77 K），S30408钢和S31603钢冲击吸收能的平均值分别由286 J和312 J降至165 J和232 J。

图5 应变强化前S30408钢的低温冲击吸收能Fig.5 Impact absorbed energy of S30408 steel before strain strengthening at low temperatures

由图7，8可知，应变强化前S30408钢在-196℃（77 K）液氮中低温处理后产生了一定量的马氏体相，但仍以奥氏体相为主；在-269℃（4.2 K）处理后的显微组织与在77 K处理后的差别不大。应变强化前S31603钢在低温处理后的显微组织与S30408钢的类似，如图8所示。

图6 应变强化前S31603钢的低温冲击吸收能Fig.6 Impact absorbed energy of S31603 steel before strain strengthening at low temperatures

图7 应变强化前S30408钢分别在77 K和4.2 K低温处理后的显微组织Fig.7 Microstructure of S30408 steel before strain strengthening but after cryogenic treatment:(a)77 K and(b)4.2 K

由图9，10可知，应变强化后S30408和S31603两种钢的低温冲击韧性随着应变量的增大而整体呈下降的趋势，应变量达到20%时，冲击韧性下降的幅度最大。在应变量相同条件下，S30408钢和S31603钢的冲击韧性随着温度降低出现下降，但降幅比应变强化前小。

2.3 讨 论

对于应变强化并经低温处理的奥氏体不锈钢而言，应变和低温都有可能引起奥氏体相向马氏体相转变，生成铁磁性体心立方结构的马氏体相（α′）和密排六方结构的马氏体相（ε）的混合体。马氏体转变受钢的化学成分、温度、应变速率、应变量等因素的影响，并且形变诱发与热诱发马氏体相变倾向之间也有一定影响[9]。合金元素对奥氏体组织特征参数、微观组织及相变驱动力有着重要影响，直接决定奥氏体不锈钢相变和力学性能的变化规律，其中碳、氮、铬和镍对奥氏体组织稳定性的影响最大。根据试验钢化学成分检测值计算出镍当量、马氏体转变起始温度Ms及层错能γSF[16-19]见表3。

图8 应变强化前S31603钢分别在77 K和4.2 K低温处理后的显微组织Fig.8 Microstructure of S31603 steel before strain strengthening but after cryogenic treatment:(a)77 K and(b)4.2 K

图9 不同应变量强化后S30408钢的低温冲击吸收能Fig.9 Impact absorbed energy of S30408 steel after strain strengthening with different strain degrees at low temperatures

图10 不同应变量强化后S31603钢的低温冲击吸收能Fig.10 Impact absorbed energy of S31603 steel after strain strengthening with different strain degrees at low temperatures

表3 试验钢的相关指标Tab.3 Relative indexes of experimental steels

由表3可见，S31603和S30408两种奥氏体不锈钢在温度分别低于-88.3，-86.417℃后开始有马氏体相变发生。理论上看，随着温度降低，马氏体相变连续进行，马氏体相含量相应增多。但低温冲击试验结果显示，应变强化后奥氏体不锈钢在温度低于-196℃（77 K）时，其冲击韧性出现“平台”。推测其原因是应变后奥氏体相强化导致Ms降低，温度诱发马氏体相变阻力增大；另一方面奥氏体相稳定性较好，连续降温形成的马氏体相总量并未大幅增加，材料中仍以低温韧性好的奥氏体相为主。

通常用冲击吸收能或侧膨胀量来衡量奥氏体不锈钢的低温韧性，如EN 13445-4—2009中一些牌号钢规定冲击吸收能不小于40 J[20]；ASME锅炉与压力容器第VIII篇中规定设计温度不低于-196℃时（检验温度不高于设计温度）要求侧膨胀量不小于0.38 mm[21]；我国标准GB 150—2011规定奥氏体不锈钢焊缝金属的冲击吸收能不小于31 J[22]。在欧盟低温压力容器标准EN 13458-2—2002[23]附录C中关于应变强化技术应用的几种奥氏体不锈钢的冲击韧性要求为冲击吸收能不小于40 J。在实际工程应用中，奥氏体不锈钢进行应变强化工艺试验时塑性应变为8%～10%，产品强化后塑性应变通常小于6%。对于试验中经过20%应变强化处理的S30408钢和S31603钢而言，在-269℃（4.2 K）的冲击吸收能分别达到75 J和100 J，表明所使用的两种不锈钢材料经过较大应变量强化处理后，低温下仍然具有较好韧性。

3 结 论

(1)应变强化S30408和S31603奥氏体不锈钢的冲击韧性随着应变量增大而逐渐降低；应变强化后两种钢冲击韧性随着试验温度降低而逐渐降低，当温度低于-196℃（77 K）后冲击吸收量趋于平缓，呈现出“平台”。

(2)S30408和S31603奥氏体不锈钢经过较大应变量强化处理后仍有较好低温韧性，能够满足奥氏体不锈钢应变强化技术标准规范中低温冲击韧性指标要求。

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