轧制温度对高铝310S不锈钢管力学性能和抗高温氧化性能的影响及其作用机制

发布时间：2021-04-19 08:26:05 丨 浏览次数：

不锈钢管中加入铝元素以后能够形成附着性好的防扩散氧化物Al2O3，显著提高钢的抗氧化性。铝元素的加入使得钢的晶粒发生了细化。阻碍其他元素在基体中的扩散，原子的尺寸存在差异，引起原子间结合力发生变化，晶格畸变，增加强度从而达到固溶强化的作用。铝元素的加入出现了铁素体相，随铝含量的增加铁素体的含量大幅度的增加。不锈钢管的使用范围和强度除了与元素含量和种类有关以外，还和轧制过程中的工艺参数息息相关。不锈钢的导热性一般，快速加热轧制可能引起裂纹。奥氏体不锈钢高温下的变形抗力比较大，如果加热温度不合理，轧制塑性降低。加热既要保证烧透均匀，又要防止过热。奥氏体钢中，高温下会产生第二相的粒子，轧制温度过高，第二相粒子增多，在该温度下轧制，会使塑性恶化，容易产生边裂和表面缺陷。在轧制过程中，奥氏体钢产生碳化物和一些其他元素的析出物，还会产生加工应力，在加热过程中使得碳化物和第二相粒子分解固溶到奥氏体基体中，同时释放加工过程中产生的应力，也会发生再结晶过程。轧制加热温度过高，晶粒长大的倾向增加，晶粒粗大，塑性会降低。轧制温度过高，钢材表面产生很厚的氧化膜，如果轧制中不能脱落将会严重影响钢材的表面质量。本章对不同轧制温度的加铝310S不锈钢管的性能进行系统的探究。

实验过程

试验合金的热轧

按照章节2.1中的合金的熔炼、轧制、固溶处理的方法制备得到合金试样。然后研究不同轧制温度对材料性能的影响，首先对选取的性能好含铝1.5wt%、2wt%、3wt%的合金用线切割成70mm×75mm×5mm的轧制试样。然后将试样在1100℃、1150℃、1200℃下轧制。将轧制好的试样进行固溶处理（工艺为1150℃+30min水冷），最后对试样进行性能测试。

试验合金的性能测试

对1100℃、1150℃、1200℃下轧制的310S不锈钢管维氏硬度的测试和2.1.2章节中的过程相同在1100℃、1150℃、1200℃下轧制的310S不锈钢管室温拉伸性能、抗高温的氧化性能的测试采用与2.1.2章节中相同的试验方法，并计算出各合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、高温氧化速率。

实验结果

如图3.1-3.3所示，不同轧制温度下的轧制板材的宏观照片。轧制温度为1100℃时，三种变形量的合金表面基本光滑没有明显的裂纹。当轧制温度升高到1150℃，合金板材表面的成型性明显变差，表面出现大量横向和纵向的裂纹，板材边缘发生开裂现象。轧制温度升高到1200℃，板材表面的存在大量的裂纹，但是边缘的开裂现象消除了。从宏观角度看，轧制温度在1100℃时，材料的成形性最理想。

力学性能

图3.4为310S奥氏体不锈钢管在变形量50%，不同铝含量，不同轧制温度下的维氏硬度。从图中看出随轧制温度增大，维氏硬度基本不变。可以看出轧制温度对合金的硬度影响不大。图3.5为310S奥氏体不锈钢管变形量50%，不同铝含量，不同轧制温度下的室温拉伸的工程应力-应变曲线，从图中看出在不同轧制温度下的合金都发生了较大的塑性变形。轧制温度为1200℃的合金塑性和强度都是最好的，轧制温度为1100℃的合金强度比轧制温度为1150℃的合金要高，塑性比1150℃的合金低。

不同铝含量，变形量50%，不同轧制温度的310S不锈钢管屈服强度σ0.2随轧制温度的变化关系如图3.6所示，抗拉强度σb随轧制温度变化关系如图3.7所示。屈服强度、抗拉强度、延伸率的统计如下表3.1所示。可以看出，随着轧制温度的增大，铝含量1.5%的合金屈服强度和抗拉强度都呈现先略微降低，后显著增大的趋势。当轧制温度是1200℃时，轧制态强度（抗拉强度598MPa）和固溶态（抗拉强度595MPa）接近。含铝2%的合金轧制温度从1100℃增大到1150℃，屈服强度增大，抗拉强度不变为560MPa。轧制温度从1150℃增大到1200℃时，屈服强度不变，抗拉强度减小到540MPa。和固溶态相比（抗拉强度745MPa），含铝2%轧制态合金抗拉强度降低了25%。含铝3%的合金轧制温度从1100℃增大到1150℃，合金的屈服强度从538MPa降到465MPa，降低了13.6%；而抗拉强度723MPa降低到682MPa，降低了5.6%。但是轧制温度从1150℃增大到1200℃时，屈服强度和抗拉强度都增大，屈服强度增加到了570MPa，提高了22.6%；抗拉强度增加到759MPa,提高了11.3%。和固溶态相比，屈服强度和抗拉强度都显著提高了，屈服强度增加了1.2倍，抗拉强度增加了2倍。

图3.8为310S奥氏体不锈钢管变形量50%，不同轧制温度，不同铝含量的合金室温拉伸的延伸率与轧制温度之间的关系。从图上可以看出，随着轧制温度的增大，含铝1.5%的合金的延伸率显著增大后又略微降低。轧制温度从1100℃增大到1150℃时，延伸率增加到38%，提高了5%。当温度达到1200℃时，延伸率降低到35%.含铝2%的合金，随着轧制温度的升高，延伸率基本不变，和固溶态相比提高了57%。含铝3%的合金，温度从1100℃增大到1150℃时，延伸率提高了32%，轧制温度从1150℃增大到1200℃时，基本没变。但是和固溶态相比延伸率提高了3倍。

Al含量3wt%，变形量50%不同轧制温度的310S不锈钢管室温拉伸断口形貌如图3.9所示，不同轧制温度合金断口分别取放大（x200）和局部放大形貌（x500）扫描图片。图3.9（a）是310S不锈钢管相同参数下轧制温度为1100℃的拉伸端口形貌，从图上可看出，断面上有大小不一的韧窝，大韧窝为卵形韧窝，韧窝里面有脆性夹杂物的断裂面。轧制温度为1100℃的合金为韧性断裂。图3.9（b）是310S不锈钢管相同轧制参数下轧制温度为1150℃的拉伸端口形貌，从图上可看出，韧窝的数量和密度增大，有很多的等轴韧窝，大韧窝里有脆性夹杂物断裂面，有许多撕裂状的层片状结构。一些韧窝的内部边缘有由于裂纹前沿与孪晶相互作用产生的“舌苔状”花样。综上可看出此时断裂方式是韧性断裂。图3.9（c）是310S不锈钢管相同轧制参数下轧制温度为1200℃的拉伸端口形貌，从图上可看出，韧窝的数量显著的减少，存在小的蜂窝状韧窝和抛物线状的大韧窝，韧窝的内部有较大的断裂颗粒。断口上出现了大量的撕裂棱，存在解理面，解理台阶。由此得出该合金的断裂方式是韧性断裂与沿晶解理的脆性断裂相结合。

抗高温氧化性能

图3.7是相同轧制参数下不同轧制温度的310S不锈钢管在900℃循环氧化100h的氧化动力学曲线，由图可知，加铝后310S不锈钢管的氧化增重减弱，900℃时抗氧化能力增强。在80h之前轧制温度为1200℃的合金抗氧化性始终没有轧制温度为1100℃和1150℃的合金好。但是，氧化超过80h后，轧制温度为1200℃的合金和轧制温度为1100℃的合金氧化增重相等，也就是抗氧化性相近。在40h之前，轧制温度为1100℃和1150℃的合金，氧化增重相近，40h以后，轧制温度为1150℃的合金氧化增重始终低于轧制温度为1100℃的合金。轧制温度为1150℃时，抗氧化性最好。

不同轧制温度的310S不锈钢管板材，在900℃下循环氧化100h后的平均氧化速率变化趋势如图3.11所示，随着轧制温度的增大，合金的氧化速率先略微降低后增大，在轧制温度为1150℃时达到了最小值。轧制态和固溶态相比，合金的抗氧化性都远远优于固溶态，氧化速率降低了50%。图3.12是相同轧制参数下不同轧制温度的310S不锈钢管在1000℃循环氧化100h的氧化动力学曲线，从图中可以看出，不同铝含量的310S氧化动力学曲线都基本符合抛物线形状。在40h之前，轧制温度为1150℃的合金增重量最小，抗氧化性最好。40h-60h的时间段内，轧制温度为1150℃的合金氧化增重量迅速增大，氧化速率增加。轧制温度为1200℃的合金，在20h-40h之间，氧化增重迅速降低，氧化速率变小，40h以后，其氧化增重是最小的，抗氧化性是最好的。1000℃下循环氧化100h后的平均氧化速率变化趋势如图3.13所示，从图上可知，氧化速率与轧制温度的关系与900℃氧化速率的变化趋势并不相同，在1000℃的氧化速率随着铝含量的增加先升高后降低，轧制温度1200℃的合金具有最低的氧化速率，抗氧化性最好。氧化速率比轧制温度1150℃的合金降低了约21%。但是和900℃时抗氧化性能相比有所下降，氧化速率提高72%。

图3.14是含铝3%，变形量50%不同轧制温度的合金经900℃循环氧化100h后试样表面氧化膜的形貌，a、b、c是不同轧制温度的各个合金的氧化表面在500倍下的氧化形貌图，d、e、f是在1500倍下的氧化形貌图.从图中看出，图3.14（a）和（d）分别为轧制温度是1100℃的合金氧化表面，可以看到氧化表面有一些凸起的苞状物，有脱落的氧化膜，表面有长条状的痕迹。可以看到氧化层表面突起物是棱形的颗粒和球星形成，不是非常致密，有孔洞。图3.14（b）和（e）为轧制温度是1150℃的合金氧化表面，表面上是均匀致密的由细小致密的棱形小颗粒的氧化膜。表面有少量的突起物。图3.14（c）和（f）分别为轧制温度是1200℃的合金氧化表面，氧化层可以看到是由大量的球状颗粒和少量的尖晶石状的棱形颗粒构成。球状颗粒和棱形颗粒的尺寸和轧制温度是1150℃的合金氧化层相比都有明显的增大。不同形状颗粒之间的接触面形成了一个个细小的空隙，促进了氧化速率。

图3.15是含铝3%，变形量50%不同轧制温度的合金经1000℃循环氧化100h后试样表面氧化膜的形貌，图3.15（a）和（d）分别为轧制温度是1100℃的合金氧化表面，可以看到氧化表面有一些凸起的苞状物，有脱落的氧化膜，可以看到氧化层表面是比较大的棱形的颗粒构成，表面有大小不一的孔洞，不是非常致密。图3.15（b）和（e）为轧制温度是1150℃的合金氧化表面，表面上的氧化膜由棱形颗粒和球形颗粒构成，表面有大量的的孔洞，有少量的突起物。图3.15（c）和（f）分别为轧制温度是1200℃的合金氧化表面，氧化层可以看到脱落的趋势，有许多凸起的包状物。构成氧化层的表面是细小均匀的棱形颗粒，构成的氧化层致密，孔洞很少。从图中可以看出，随着轧制温度的升高，形成氧化层的颗粒直径逐渐变小，并且越来越均匀。

讨论 

相同Al含量（3wt%）的合金在1100℃、1150℃、1200℃不同的轧制温度下轧制成变形量为50%的板材，然后经过1150℃+30min的固溶处理。如图3.16所示，随着轧制温度的增加，组织中铁素体和奥氏体的比例没有发生很大的变化，但是奥氏体和铁素体的形状发生了变化。如图a轧制温度为1100℃，晶粒粗大，奥氏体的晶粒呈粗大的枝晶，较大的颗粒状分布，铁素体分布在奥氏体晶粒的晶界上。图b轧制温度为1150℃，奥氏体的晶粒尺寸变小，鳞片状的晶粒尺寸变小，枝晶数量和尺寸减小。长条状的奥氏体被打断。黑色的铁素体呈现大的鳞片状的分布。图c轧制温度为1200℃，奥氏体的晶粒成板条状和细小的颗粒状分布，晶粒的尺寸更加细小，长条状的晶粒有一定的取向性。从三张图中看出在1200℃的轧制以后，晶粒细小致密，呈长条状，有一定的取向性。

在轧制的过程中，不同的轧制温度能够引起原始的坯料的奥氏体组织晶粒大小变化。不同的轧制温度，对元素在基体中的溶解度有很大的影响。元素在基体中的含量决定着钢的强韧性，材料的抗氧化性能，抗腐蚀性能。轧制变形过程，晶粒会发生变形，基体对元素的溶解度会减小，这会严重的影响钢材的组织和性能。310S奥氏体不锈钢，含Cr量25wt%,含Ni量20wt%。铬镍含量比较高，总的元素含量超过50%以上。铬镍元素在钢中很难扩散，加热的温度要高，加热时间要适当的长。从氧化曲线看出，轧制温度在1200℃，各个元素的扩散比较快，Cr元素能够扩散到表面，快速的补充Cr氧化物的蒸发消耗。不锈钢管的热导率差，温度比较低的时候，钢材的温度均匀性不好。温度不均匀，会引起内部的热应力，从而产生内部裂纹。310S中的Cr含量高，温度高的时候，容易发生渗碳，形成Cr7C3的碳化物，消耗了Cr元素，引起该合金的抗高温氧化和腐蚀性能，及热强性，都发生变化。不锈钢的热膨胀系数大，在不同的温度下，其热膨胀是不一样的。轧制过程中，加热的温度对铁素体的含量影响很大。随着加热温度的升高，铁素体含量会逐渐的增大。尝试降低铁素体的含量，一方面是降低钢的加热温度，另外方面是加入其它的合金元素。降低钢的加热温度，引起轧制过程中变形抗力增大。轧制的温度越低，轧制的变形抗力增加的越快，产生更大的加工硬化，给变形加工带来困难。调整化学成分，加入合金元素，这些元素能够扩大钢的奥氏体区，稳定奥氏体相，从而减少了铁素体的含量。轧制温度对不锈钢的力学性能，抗氧化性能，抗腐蚀性能都有影响。结合图3.16中的金相图和上文中的力学性能、抗氧化性能。在1200℃，含铝3%的合金奥氏体和铁素体的晶粒都比较细小。室温拉伸性能最好，屈服强度为570MPa，抗拉强度是759MPa。延伸率也是随着轧制温度的升高而增大。关于其抗氧化性能，900℃的时候，不同轧制温度下的抗氧化性能基本相近。1000℃的抗氧化性实验中，氧化速率随轧制温度的升高而降低。

本章小结

1、随着轧制温度的增加，含铝1.5%和3%的合金310S屈服强度和抗拉强度先降低后增大，含铝2%的合金强度随轧制温度的升高基本不变。当轧制温度为1200℃的时候,强度最高，屈服强度570MPa，抗拉强度为759MPa。不同铝含量的合金硬度随着轧制温度的升高基本上不变，相对于固溶态，硬度都降低了20HV左右。

2、随着轧制温度的增加，含铝2%的合金，延伸率基本没有发生变化，和固溶态相比，其延伸率提高了57%。含铝3%的310S不锈钢管的塑性是逐渐增加，当轧制温度为1200℃时，含铝3%的合金延伸率是14.23%，比固溶态增加了3倍。

3、随着轧制温度的增加，在900℃，310S不锈钢管的抗氧化性能基本不变，和固溶态相比，抗氧化性能提高50%；在1000℃，310S不锈钢管的随着轧制温度的增加，抗氧化性能的到改善。