新型奥氏体DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N钢室温拉伸与晶间腐蚀性能研究

冯兆龙 杨 澍

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南471039)

奥氏体不锈钢约占不锈钢总产量使用量的70%[1]。对于奥氏体不锈钢，既要有足够的力学性能，又要保证在使用时其微观结构的稳定性符合要求。本文除对新型奥氏体不锈钢锻钢DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N固溶处理后的组织和室温下的拉伸性能进行了详细的研究外，还简单介绍了其耐晶间腐蚀性能，为该类钢的实际生产和使用提供了参考数据。

1 试验材料及方法

试验用高氮新型奥氏体不锈钢为DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N。采用100 kg感应炉冶炼，去冒口并电渣重熔后锻成厚度为20 mm的板材，然后进行1 050℃、40 min的固溶处理。拉伸试验在液压式万能试验机DLY-100上进行，拉伸速度为3 mm/min，用扫描电子显微镜观察断口形貌。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织

试验材料固溶处理后的显微组织见图1。组织为单一的奥氏体相，但含有部分的夹杂物，级别为D3.5级，晶粒度为6.0级。从图中可以看出，有许多孪晶出现。由于加入了部分N元素，N的增加有助于奥氏体中孪晶的形成。材料中Mn含量较高，而Mn会降低层错能，即降低了生成层错的能垒，有助于增加层错和晶内孪晶形成[2]。

图1 金相组织 200×Figure 1 The metallographic structure

2.2 拉伸性能

DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N在室温下的拉伸性能见表1。从数值上看，此材料在室温下具有很高的强度和良好的塑性。该新型奥氏体不锈钢的屈强比为0.56，成型性较好。N元素提高强度的作用比C及其它合金元素都强。N元素减少奥氏体中密排不完全位错、限制了含间隙杂质原子团的Splintered位错运动。每加入0.1%的N就可以使Cr-Ni奥氏体不锈钢的室温强度(Rp0.2，Rm)提高(60～100)MPa[3]。含N钢的屈服强度由基体强度、N原子间隙固溶强化两部分组成。加N后，钢的屈服强度和抗拉强度升高，伸长率略有降低。这是N的间隙强化、固溶强化造成的。戴起勋等人[4]首次得到两个强度计算式：

(1)

(2)

按此公式计算出的屈服强度和抗拉强度，排除计算公式本身的误差、材料性能的偶然性及夹杂物的影响，其数值与实验值比较接近，分别为372 MPa和675 MPa，相对误差在10%以内。由载荷-位移曲线转换成的应力-应变曲线见图2所示。对于稳定的钢或有色金属，其拉伸应力-应变曲线一般有3种：连续过渡型、均匀屈服型和非均匀屈服型。普通的奥氏体不锈钢在常温下不具有明显的屈服现象，从图中也可以看出，该新型奥氏体不锈钢拉伸曲线也没有明显的屈服平台，而是弹性变形后直接就产生了塑性变形。

表1 基本力学性能Table 1 The main mechanical properties

图2 试验材料的拉伸应力-应变曲线Figure 2 The curve of tensile stress and strain of testing material

金属材料在拉伸真应力-应变曲线上的均匀塑性变形阶段，应力与应变之间符合Hollomon关系式：S=Ken。式中S为真实应力，e为真实应变，n为应变硬化指数，K为硬化系数，是真实应变等于1.0时的真实应力。应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续变形的能力，是表征金属材料应变硬化的性能指标。为得到此新型奥氏体不锈钢的应变硬化指数n，在均匀塑性变形阶段等距离取9个应变水平，记录相应的应力-应变(σ-ε)数据对，然后按S=σ(1+ε)及e=ln(1+ε)计算真应力-应变数据对。作lnS与lne关系曲线，结果见图3，曲线的斜率就是应变硬化指数。从添加的趋势线性方程可知，该奥氏体不锈钢的应变硬化指数为0.45。大多数金属的n值为0.1～0.5，而且应变硬化指数与层错能有关。层错能较低，不易滑移，位错在障碍附近产生的应力集中水平要高于层错能高的材料。因而，n值随层错能的降低而增加，并且滑移特征由波纹状变为平面状。

图3 lnS与lne的关系Figure 3 The relation of lnS and lne

2.3 断口形貌

实验材料经固溶处理、水淬后，室温下是纯奥氏体组织，韧性非常好。拉伸断口见图4、图5。断口上布满了韧窝，是典型的韧性断裂纤维区的特征。由于奥氏体不锈钢塑性好，在应力作用下(1 1 1)面上的位错滑移、层错扩展，从而释放了压力，在宏观上具有较好的均匀塑性变形能力。奥氏体具有较高的加工硬化能力，随着形变的进行，不同滑移面或不同滑移方向上形成的滑移带相交处，因应力集中而产生微孔，继而扩大成为微裂纹，断裂时留下蜂窝状的特征，如图4所示。韧窝底部有块状夹杂物存在，基体受力时，大块的夹杂物的周围是薄弱环节，即为裂纹的发源地之一。见图5。在实验中用能谱仪对夹杂物的成分进行了鉴别，结果显示该夹杂物主要是MnS及部分氧化物的混合物。净化材料，减少夹杂物，可以进一步提高材料的抗拉强度。

2.4 晶间腐蚀试验

不锈钢具有抗腐蚀能力的必要条件是钢内Cr的质量分数必须大于13%。但在某些条件作用下，其晶界(晶粒之间)会形成含Cr量少于13%的“贫Cr区”，在腐蚀性介质的作用下，晶界贫Cr区的金属就失去抗腐蚀能力而形成晶间腐蚀。

图4 拉伸断口SEM形貌Figure 4 The tensile fracture SEM appearance

图5 夹杂物的SEM形貌Figure 5 The inclusions SEM appearance

采用硫酸-硫酸铜腐蚀介质对该奥氏体不锈钢进行晶间腐蚀试验，经48 h腐蚀后作180°的弯曲试验,然后进行表面宏观检查，未发现因晶间腐蚀而产生的裂纹。其主要原因是钢板中除加入了适量N元素外，还加入了Nb作为稳定化元素，在钢中形成沉淀相。在细化晶粒的同时，其与C相结合的能力比Cr要强，能够与C结合而生成稳定的碳化物，从而避免了在奥氏体晶界形成贫Cr区。

综上所述，所研制的新型奥氏体不锈钢DG00Cr20Ni15Mo3Mn6N除具有良好的力学性能外，还具有较好的抗晶间腐蚀性能。

3 结论

(1)该钢固溶处理后的组织为单一的奥氏体组织，并有大量孪晶出现，N的加入有助于奥氏体中孪晶的形成。

(2)该钢室温拉伸时没有明显的屈服平台，具有很高的强度和优良的塑性的同时，具有良好的抗晶间腐蚀性能。

(3)室温下拉伸断口为韧性断口，球块状夹杂物是裂纹的主要发源地，净化材料可以进一步提高材料的强度。

[1] 陆世英，张廷凯，康喜范，等.不锈钢[M].北京：原子能出版社，1998.

[2] 肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京：冶金工业出版社，1983.

[3] 程晓农，戴起勋.奥氏体钢设计与控制[M].北京：国防工业出版社，2005 32～33.

[4] 戴起勋，王安东，程晓农.低温奥氏体钢的强度计算[J].钢铁研究学报，2002.12，50～53.