固溶处理对奥氏体不锈钢07Cr18Ni11Nb高温力学性能的影响

舒 玮，王丽英

（1.太原钢铁（集团）有限公司 先进不锈钢材料国家重点实验室，山西 太原 030003；2.山西太钢不锈钢股份有限公司 技术中心，山西 太原 030003）

作为一种铌含量相对较高的奥氏体不锈钢，07Cr18Ni11Nb钢由于兼具优良的高温性能和耐晶间腐蚀性能，近年来在新能源领域得到了广泛应用。得益于材料中大量的NbC析出物，07Cr18Ni11Nb钢在生产、制备及使用过程中存在非常明显的析出强化效果，一直以来都是相关研究工作的重点[1-4]。由于NbC析出在板材固溶处理过程中对微观组织影响较大，07Cr18Ni11Nb钢表现出与普通奥氏体不锈钢不同的力学性能，特别是高温力学性能转变规律。目前对这方面的研究相对较少[5-9]。

本文通过对07Cr18Ni11Nb钢进行一系列固溶处理试验，探索了不同固溶处理条件对高温拉伸性能的影响，为进一步提高07Cr18Ni11Nb钢的高温力学性能提供了参考。

1 试验材料及方法

试验材料取样自连铸坯轧制后28 mm厚的热轧板，其主要化学成分（质量分数，%）为0.04～0.10C、17～19Cr、9～10Ni、0.4～0.5Nb，余量Fe。从热轧板上切取尺寸为28 mm×30 mm×150 mm的试样，在室式电阻炉中进行固溶处理试验，固溶温度分别为1050、1100、1150和1200℃，保温时间为1 h，出炉后水冷至室温。固溶处理完毕分别制备金相试样及高温拉伸试样，其中金相试样磨抛后用盐酸-三氯化铁水溶液侵蚀，在Leica DMR型正置式光学显微镜下观察试样的微观组织；高温拉伸试验在CMT 5105高温拉伸试验机上进行，试验温度为500℃和600℃，利用Nova Nano SEM430扫描电镜对拉伸断口进行观察分析。运用Thermo-Calc软件对试验钢析出相的热力学平衡相图进行计算。

2 试验结果与分析

2.1 热轧态组织

热轧板试样的金相照片、扫描电镜照片及析出物能谱分析如图1所示。可以看到热轧试样微观组织中含有奥氏体晶粒、条带状铁素体以及大量点状析出物，其中奥氏体晶粒分布均匀，尺寸在30μm左右。析出物能谱分析显示其主要元素成分（质量分数，%）为47.74Nb、14.98C，为NbC析出物。

图1 热轧板轧向显微组织（a，b）及析出物能谱分析（c）Fig.1 Roll-oriented microstructure（a，b）and energy spectrum analysis of precipitate（c）of the hot-rolled sheet

2.2 固溶处理试样微观组织

试样经不同温度固溶处理后的金相照片如图2所示。可以看出，随着固溶处理温度的升高，微观组织中的条带状铁素体逐渐减少，1150℃以上已基本观察不到铁素体组织（见图2（c））。当固溶处理温度≤1100℃时，奥氏体晶粒未发生明显长大，晶粒尺寸保持在30μm左右（见图2（a，b））；1150℃时，局部区域奥氏体晶粒迅速长大，形成明显的混晶现象（见图2（c））；当固溶处理温度达到1200℃时，组织均匀性重新恢复，奥氏体晶粒长大至100μm以上（见图2（d））。

通过计算所得的热力学平衡相图（见图3）可知，试样中NbC（FCC-A1#2相）在1300℃以上才能完全溶于基体，由此这些析出物在1100℃的固溶处理条件下，对奥氏体晶粒长大仍然具有强烈的钉扎作用；当温度继续升高后，随着析出物的回溶、粗化，奥氏体晶粒逐渐脱离析出物的阻碍，晶粒尺寸明显增大（见图2（c，d））。

图2 试验钢经不同温度固溶处理后的金相照片Fig.2 Metallographic images of the tested steel solution-treated at different temperatures

图3 试验钢的热力学平衡相图（a）及FCC-A1#2相的化学组成Fig.3 Thermodynamics equilibrium phase diagram of the tested steel（a）and chemical composition of FCC-A1#2 phase

2.3 固溶处理试样高温拉伸性能

固溶处理后试样在500℃和600℃下的高温拉伸性能如图4所示。可以看出，500℃的高温强度明显高于600℃；高温屈服强度随固溶处理温度的升高逐渐降低，600℃屈服强度从1050℃固溶处理时的160 MPa降至1200℃固溶处理时的120 MPa左右，500℃屈服强度从1050℃固溶处理时的162 MPa降至1200℃固溶处理时的130 MPa左右；500℃和600℃下的高温抗拉强度无明显变化，分别在400 MPa和390 MPa左右。

对高温拉伸试样断口附近组织进行金相观察后发现，拥有大尺寸晶粒的1200℃固溶处理试样（如图5（b，d）所示），其晶粒变形程度更加明显。结合图4可知，在500℃和600℃的高温拉伸试验温度下，小尺寸晶粒由于存在大量的奥氏体晶界，晶内位错滑移时的启动更加困难，表现出更高的高温屈服强度。

图4 经固溶处理后试样在500℃和600℃下的屈服强度（a）和抗拉强度（b）Fig.4 Yield strength（a）and tensile strength（b）at 500℃and 600℃of the specimens after solution treatment

图5 不同温度固溶处理后试样500℃（a，b）和600℃（c，d）拉伸断口附近的微观组织Fig.5 Microstructure near tensile fracture at 500℃（a，b）and 600℃（c，d）of the specimens solution-treated at different temperatures

3 结论

1）07Cr18Ni11Nb钢在固溶处理温度≤1100℃时，奥氏体晶粒尺寸与热轧态基本一致，保持在30μm左右；当固溶处理温度达1200℃时，奥氏体晶粒尺寸可增大至100μm以上。

2）在500℃（600℃）的高温拉伸试验条件下，随着试验钢固溶处理温度由1050℃升至1200℃，高温屈服强度分别从162 MPa（160 MPa）降至130 MPa（120 MPa）左右；高温抗拉强度无明显变化，保持在400 MPa（390 MPa）左右。

3）在600℃拉伸温度以下试验钢奥氏体晶界是决定强化效果的重要因素，晶粒尺寸越小，高温屈服强度越高。