304不銹鋼深冷處理強(qiáng)化及機(jī)理研究
發(fā)布者：江蘇法蘭德金屬制品有限公司 發(fā)布時(shí)間：2020-07-12 09:45:38 點(diǎn)擊次數(shù)：
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1）由于奧氏體不銹鋼的塑性與韌性極為優(yōu)異，對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行形變強(qiáng)化，提高其降伏強(qiáng)度，還能保證足夠的塑性與韌性，從而可以重大的降低材料成本，具有很高的工程價(jià)值。
2）固溶化或熱軋退火的奧氏體不銹鋼，在室溫拉伸過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)于普通碳鋼一樣的屈服平臺(tái)，而是隨著拉伸應(yīng)力的連續(xù)增加，變形連續(xù)增大；一般規(guī)定殘余應(yīng)變0.2%的應(yīng)力為其屈服強(qiáng)度。
3）目前國(guó)際規(guī)范中的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù):
*主要應(yīng)用于圓柱形或球形的壓力容器
*必須經(jīng)過(guò)固溶處理，且延伸率不得低于35%
*強(qiáng)化后的永久塑性變形量不得大于10%
*AS1210S2中規(guī)定強(qiáng)化后的容器不得適用于400C以上，而EN13458-2更規(guī)定不得大于50C。
4）德標(biāo)的不銹鋼屈服強(qiáng)度按R1.0取值，一般R1.0約較R0.2高約40MPa。
5）304不銹鋼的疲勞極限大致隨其屈服強(qiáng)度的增加而增加。
6）304不銹鋼在液氮環(huán)境下，馬氏體與強(qiáng)度之間的關(guān)系如下：
R=225f+48.65ksi（其中R為屈服強(qiáng)度，f為馬氏體體積分?jǐn)?shù)，1ksi=6.895MPa
7）通過(guò)形變產(chǎn)生馬氏體的最高溫度為Md，溫度高于Md時(shí)，形變也不會(huì)產(chǎn)生馬氏體；自發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為Ms；故在Ms溫度與Md溫度中，不銹鋼形變時(shí)會(huì)誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著變形量的增加，馬氏體量也會(huì)增加；越接近Md點(diǎn)，產(chǎn)生馬氏體所需要的變形量也越大；越接近Ms點(diǎn)，就越能增加馬氏體的量。
8）304奧氏體不銹鋼的Ms點(diǎn)很低（約零下400C），而Md在室溫至180C之間；要想得到足夠的馬氏體以強(qiáng)化材料，就必須施加彈性或塑性形變。
9）在高于Md點(diǎn)施加應(yīng)力以產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生馬氏體；此時(shí)的強(qiáng)化是加工硬化，而和馬氏體無(wú)關(guān)。在Md與Ms點(diǎn)間施加應(yīng)變時(shí)，隨著溫度的降低，形變強(qiáng)化的機(jī)制鑄件由加工硬化轉(zhuǎn)變成馬氏體硬化。
10）在液氮溫度下，等溫馬氏體轉(zhuǎn)變的速率很低，這是由于幾種不確定的因素：
*化學(xué)成分，熱處理工藝，晶粒度大小等
*室溫放置時(shí)間
*殘余應(yīng)力狀況。
11）強(qiáng)化容器的制備—不論是室溫強(qiáng)化還是低溫強(qiáng)化，一般都采用焊接結(jié)構(gòu)；由于304不銹鋼焊接采用低碳高鎳的焊條，焊縫區(qū)由于奧氏體穩(wěn)定化與拘束的作用，故塑性喪失的程度較母材大，因此室溫形變強(qiáng)化的弱區(qū)就是焊接接頭區(qū)域。
12）馬氏體相變的體積膨脹大約在0.8-4.0%間（依含碳量而定），4%的體積膨脹相當(dāng)于1.4%的線性膨脹。
13）室溫強(qiáng)化主要以彈性應(yīng)變?yōu)橹�，而低溫�?qiáng)化則為馬氏體相變引起的體積膨脹。
14）304不銹鋼在液氮溫度下，僅變形0.25%就會(huì)出現(xiàn)馬氏體；而在室溫下需要變形40%才會(huì)出現(xiàn)馬氏體。
15）在Ms點(diǎn)以下，奧氏體不銹鋼自發(fā)的等溫馬氏體轉(zhuǎn)變，開(kāi)始很慢，逐漸加速，到后期又變慢，最后停止，一般轉(zhuǎn)變量不會(huì)超過(guò)20-30%；即使沒(méi)有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的奧氏體，也會(huì)由于馬氏體引起的體積膨脹及相變應(yīng)力而發(fā)生明顯的塑變強(qiáng)化。
16）要獲得性能優(yōu)異的形變強(qiáng)化304不銹鋼，不僅需要合適的形變溫度，而且需要合適的晶粒度及較少夾雜物。
17）低溫形變強(qiáng)化除了在液氮溫度下施加一定變形所誘發(fā)的馬氏體轉(zhuǎn)變及未轉(zhuǎn)變的奧氏體冷加工硬化外；在緩慢回溫過(guò)程中及長(zhǎng)時(shí)間的室溫時(shí)效過(guò)程，還會(huì)有部分轉(zhuǎn)變成馬氏體（并會(huì)析出超微細(xì)的碳化物），進(jìn)一步強(qiáng)化不銹鋼。
18）304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度與馬氏體含量間存在線性關(guān)系
19）深冷強(qiáng)化工藝的變形量一般控制在9-13%間。
20）夾雜物對(duì)形變強(qiáng)化對(duì)不銹鋼的斷口影響很大，而且強(qiáng)烈影響強(qiáng)化后的延伸率。
21）溫度，預(yù)應(yīng)變（或應(yīng)力）大小對(duì)304不銹鋼的形變強(qiáng)化性能有著決定性的影響。預(yù)應(yīng)變（或應(yīng)力）對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響，主要體現(xiàn)在機(jī)械驅(qū)動(dòng)力方面，從產(chǎn)生相變驅(qū)動(dòng)力的角度來(lái)看，冷加工的形變量越大，給予試樣的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力就越大，馬氏體轉(zhuǎn)變量就越多。而溫度對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響體現(xiàn)在化學(xué)驅(qū)動(dòng)力方面，溫度越低，需要的驅(qū)動(dòng)力越小，直至自發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生。
22）若形變溫度在Md以上，試樣中的奧氏體僅僅會(huì)發(fā)生滑移或塑性變形，不管形變量多大，都不會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。--此即奧氏體的穩(wěn)定化。
23）液氮溫度下的馬氏體轉(zhuǎn)變強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比室溫強(qiáng)化的強(qiáng)度要高得多。低溫強(qiáng)化主要是馬氏體相強(qiáng)化，而室溫強(qiáng)化主要是冷加工強(qiáng)化；冷加工強(qiáng)化是以犧牲材料塑性為代價(jià)的，而馬氏體強(qiáng)化雖然也會(huì)犧牲一部分塑性，但在同樣的塑性條件下，可獲得更高的強(qiáng)度。
24）316不銹鋼雖然也是屬于亞穩(wěn)態(tài)的不銹鋼，但在室溫形變，幾乎不存在馬氏體相變；因此在室溫附近，只存在加工硬化強(qiáng)化；如果要獲得更高的強(qiáng)度，只能進(jìn)行液氮等低溫環(huán)境下的形變強(qiáng)化；但是由于其穩(wěn)定化程度較高，故其強(qiáng)化能力較低。
25）310不銹鋼，即使在液氮溫度下形變，也不存在馬氏體相變，因此僅可能有加工硬化強(qiáng)化。
26）馬氏體相變的特點(diǎn)：
*馬氏體本身具有很高的強(qiáng)度
*馬氏體相變引起的體積膨脹改善了材料的塑性
*馬氏體的切變相變和體積膨脹使殘余奧氏體嚴(yán)重加工硬化，提高強(qiáng)度；
*這些嚴(yán)重硬化的殘留奧氏體在稍高的溫度下時(shí)效有可能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，進(jìn)一步提高形變熱處理的材料強(qiáng)度
27）冷加工硬化的強(qiáng)度隨溫度消除比較緩慢，幾乎可以保留至約900C；而馬氏體強(qiáng)化的不銹鋼在400C左右時(shí)，會(huì)因馬氏體的逆轉(zhuǎn)變重新變成奧氏體，材料的強(qiáng)度大幅下降。
28）室溫強(qiáng)化時(shí)，形變1%，約可提高強(qiáng)度40MPa；一般預(yù)變5%，可使其屈服強(qiáng)度達(dá)到400MPa；因此控制應(yīng)變量的大小即可獲得所需要的強(qiáng)度性能。
29）等溫馬氏體轉(zhuǎn)變是指將奧氏體過(guò)冷到某一溫度，然后保溫；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷發(fā)生轉(zhuǎn)變，開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)變很慢，少量形成后開(kāi)始加速，而后又變慢，最后停止；一般轉(zhuǎn)變量不會(huì)超過(guò)20-30%。因此等溫馬氏體變態(tài)在時(shí)間-溫度的關(guān)系圖上成C型，有孕育期，在某一溫度的轉(zhuǎn)變速率有極大值；合金元素可以改變C曲線的位置，冷卻速率也可抑制其轉(zhuǎn)變。
30）在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)停留或緩冷，可為馬氏體轉(zhuǎn)變的形核提供驅(qū)動(dòng)力，得到的馬氏體量就更多。相反，如果以快速冷卻到液氮溫度，由于馬氏體來(lái)不及形核，馬氏體的轉(zhuǎn)變就會(huì)收到抑制。在液氮溫度下，由于溫度太低，即使放置很長(zhǎng)的時(shí)間也不會(huì)出現(xiàn)更多的馬氏體如果在液氮溫度下施加彈性能或塑性能，有利于馬氏體晶核的形成而有助于形成馬氏體。
31）在一般條件下，時(shí)間在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中的作用極為微�。坏跇O低溫的條件下，時(shí)間就成了重要的工藝因素。
32）常溫下的容器通過(guò)水壓可使容器發(fā)生3-5%的塑性變形，這個(gè)過(guò)程發(fā)生的馬氏體非常少；強(qiáng)化的機(jī)理主要是塑性變形強(qiáng)化或冷加工硬化。而在低溫下形變或施加彈性應(yīng)力。就必須考慮馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。
33）在液氮溫度下只要變形不超過(guò)10%，其強(qiáng)化機(jī)制就完全是馬氏體轉(zhuǎn)變引起的強(qiáng)化，馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)為等溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變機(jī)制為彈性應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體轉(zhuǎn)變，如果應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度，其強(qiáng)化機(jī)制為加工硬化與相變強(qiáng)化的共同作用結(jié)果，因此在液氮溫度下，可用彈性應(yīng)力與液氮溫度下的保溫時(shí)間作為壓力容器強(qiáng)化的制造參數(shù)。
34）加工硬化強(qiáng)化---室溫變形強(qiáng)化選用的不銹鋼須經(jīng)固溶處理且延伸率不得低于35%；且強(qiáng)化后的永久塑性變形量不得超過(guò)10%。只要塑性變形量不超過(guò)5%，屈服強(qiáng)度的提高主要是因加工硬化而來(lái)，馬氏體根本不存在。5%的塑性變形基本不會(huì)明顯影響奧氏體的塑性與韌性所以目前工業(yè)最為廣泛的強(qiáng)化方式也是5%左右的塑性變形強(qiáng)化。這種強(qiáng)化方式僅能使屈服強(qiáng)度提高到400MPa左右。
35）馬氏體相變強(qiáng)化—馬氏體相變強(qiáng)化具有更高的強(qiáng)度且塑性喪失少；在總變形不超過(guò)10%的情況下，304不銹鋼的變形主要是馬氏體相變體積膨脹引起的，即不存在加工硬化強(qiáng)化問(wèn)題；但由于304不銹鋼的化學(xué)成分范圍很寬，導(dǎo)致形變馬氏體出現(xiàn)與自發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的差異很大。
36）加工硬化強(qiáng)化與馬氏體相變強(qiáng)化的結(jié)合—一般而言，在室溫下形變強(qiáng)化的變形量超過(guò)5%，或液氮溫度下形變量超過(guò)屈服平臺(tái)時(shí)，前者在加工硬化的同時(shí)也發(fā)生馬氏體相變強(qiáng)化后者在相變強(qiáng)化的同時(shí)也發(fā)生加工硬化。馬氏體相變量的多少不僅與形變程度有關(guān)，而且與奧氏體穩(wěn)定度有關(guān)。例如304在室溫下形變超過(guò)5%就有可能發(fā)生馬氏體變態(tài)；而316不銹鋼在室溫下形變即使接近斷裂，馬氏體的量也很少。為保證強(qiáng)化壓力容器制造參數(shù)的正確性，保障強(qiáng)化后材料性能的穩(wěn)定和精確，就必須對(duì)材料的化學(xué)成分進(jìn)行嚴(yán)格的限制與控制，在強(qiáng)化前應(yīng)進(jìn)行固溶處理（澆注溫度不得過(guò)高），保證晶粒度在合理的范圍。
37）304壓力容器強(qiáng)化機(jī)理與制程控制參數(shù)
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