409L铁素体不锈钢的高温拉伸行为和形变组织研究

谭 威，季根顺，张建斌（兰州理工大学 材料科学与工程学院，兰州 730050）

409L铁素体不锈钢的高温拉伸行为和形变组织研究

谭 威，季根顺，张建斌（兰州理工大学 材料科学与工程学院，兰州 730050）

利用金相显微镜、X射线衍射仪、EPMA、拉伸试验机研究铸态409L铁素体不锈钢在高温下的力学性能和变形组织特征。结果表明，随着温度的升高，409L不锈钢的强度在300～800℃迅速下降，800～1150℃下降变缓；伸长率在1000℃时达到最大，为131.44%；断面收缩率在800℃时最大，为97.71%。409L不锈钢的再结晶温度在950℃左右。通过XRD鉴定表明，409L不锈钢中主要组成物相为铁素体、Fe-Cr系合金和游离Cr元素。EPMA结果显示，409L不锈钢中含有的黑色点状第二相颗粒主要是Ti（C、N），此种粒子可提高钢铁材料的综合性能。

430不锈钢；高温力学性能；铁素体不锈钢，金相分析

自不锈钢开发以来，奥氏体不锈钢一直占据主导地位，研究较多，而对铁素体不锈钢的研究最近几年才引起重视。铁素体不锈钢相对奥氏体不锈钢，具有成本低、导热系数高、线膨胀系数小等优点[1]。由于镍资源紧缺，亚洲国家不锈钢市场需求旺盛，伦敦金属交易所（LME）镍价格上升，不锈钢价格也随之大涨。我国镍资源远远满足不了不锈钢行业的需求，较大部分需要进口[2]。在镍金属严重紧缺的情况下，低镍或无镍的铁素体不锈钢开始得到了国内外重视，并在实际中得到广泛应用。

本文研究的409L是一种不含Ni的单Ti稳定化铁素体不锈钢。通过高温拉伸试验，测定不同温度下的抗拉强度、伸长率、断面收缩率，并利用光学金相显微镜、EPMA、XRD等手段，对409L不锈钢的金相组织进行研究，为指导制定其连铸生产工艺参数，提供重要的基础数据。

1 试验材料及试验方法

试验用材料为铸态409L铁素体不锈钢，牌号为00Cr12Ti，其主要成分见表1。在距离连铸坯表面1/4处晶粒的大小适中，有利于对铸坯组织与力学性能的研究，本次试验试样均从铸坯厚度方向1/4处取样。试样规格为 ø10mm×120mm×M18，按照国标 GB/T 4338－2006进行机加工和高温拉伸试验，如图1所示。

表1 409L的化学成分（质量分数，%）

试验使用岛津AG-10TA程控万能材料试验机，对409L不锈钢进行高温拉伸试验，测定不同温度下的抗拉强度、伸长率、断面收缩率。将拉伸试样在实验结束后立即取出水冷，沿拉伸方向将试样切开，经打磨、抛光后使用化学腐蚀法使其显示金相组织（腐蚀液为HF∶H2O2=1∶4），使用 XJP-200 型倒置金相显微镜对微观组织进行观察。利用EPMA-1600电子探针对铸态409L不锈钢中出现的黑点进行线扫描，分析其主要成分；根据偏光显微金相照片对钢中第二相的分布进行观察分析；通过XRD对409L进行物相鉴定。

2 试验结果与分析

2.1 热塑性曲线

409L不锈钢热塑性曲线如图2所示。其中Rm代表抗拉强度，A代表伸长率，Z代表断面收缩率。抗拉强度是铸坯抵抗均匀塑性变形的最大应力，是衡量铸坯是否产生裂纹的判据。由抗拉强度随温度的变化曲线可知，变形温度在300～800℃范围内，抗拉强度呈线性迅速降低，在300℃时为308.4MPa，而800℃时只有为18.3MPa；而变形温度在800～1150℃范围内，抗拉强度下降趋势变得平缓，在900℃时为9.35MPa，1150℃时为1.89MPa。表明在高温下铸坯受力容易超过其高温强度极限而发生非均匀塑性变形，产生裂纹缺陷。

伸长率是材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比，是衡量材料塑性好坏的指标之一。由伸长率随温度变化的曲线可知：试样在300～600℃伸长率的变化不是很大，在500℃时伸长率仅为 34.2%；在 600～1000℃，随温度的升高伸长率迅速上升，1000℃时伸长率达到最大值131.44%；在1000～1150℃范围内伸长率又呈现明显的下降趋势，在1150℃拉伸时，试样的伸长率只有46.08%。

断面收缩率是连铸坯试样在热拉伸断裂后，断口最大缩小面积与原面面积的百分比，反映了铸坯在连铸高温过程中的韧性能力。断面收缩率的值越大，说明铸坯抵抗外力作用而不产生裂纹的可能性越大。由409L不锈钢断面收缩率随温度变化的曲线可知：试样在300～500℃范围内断面收缩率呈上升趋势，300℃时断面收缩率为 57.65%，500℃时为 80.75%；500～800℃范围内断面收缩率缓慢升高，800℃时断面收缩率达到最大值97.71%；加热温度在800～1150℃范围内试样断面收缩率呈缓慢下降趋势，1150℃时为91.96%。

大量研究和实际经验发现[3，4]，当断面收缩率大于60%时，铸坯不出现裂纹；当断面收缩率小于60%时，铸坯裂纹敏感性增高。故一般以收缩率等于60%作为临界值来划分高塑性区和低塑性区的温度范围，可见409L不锈钢在高温下一直具有较好的塑性。结合409L不锈钢的断面收缩率，得到900～1050℃范围内为最佳塑性区。

2.2 金相组织分析

如图3所示，409L不锈钢在950℃左右发生再结晶，随着温度的升高，晶粒逐渐长大，温度到1100℃时晶粒明显粗化。从热力学角度看，再结晶后得到的细小晶粒在长大过程中，总的晶界面积减少，能量降低是一个自发过程，若继续延长加热时间或提高加热温度，将会引起晶粒进一步长大[5]。

取样观察部位为拉伸方向，在950℃左右，试样发生再结晶，而试样断口处由于受力更为复杂，将导致横截面金相更早到达再结晶温度。再结晶是热变形中发生的一种软化过程，这与图1抗拉强度在800℃后下降平缓、趋于稳定相符。另外，大量实验观察表明，多晶体屈服强度与晶粒尺寸之间符合下列Hall-Petch关系式[6]：σs=σi+kd-1/2

式中σi、k为材料有关的常数；d为晶粒尺寸。可见细化晶粒是同时提高强度而又不损伤韧性的有效强化方法，在制定加热工艺时应尽量减小晶粒尺寸。

2.3 第二相粒子分析

图4中黑色部分为铁素体组织，白色的第二相粒子在铁素体中均匀的分布，说明第二相粒子不是偏析产物。我们利用X射线衍射仪（XRD）对409L不锈钢进行物相鉴定，结果表明试样中有铁素体、Fe-Cr系合金和游离Cr元素（如图5）。

如图5所示，从衍射结果上分析，409L不锈钢中只有单相的铁素体，这和我们从金相照片中看到的结果相同。利用扫描电子探针（EPMA）对409L中出现的黑点进行线扫描，结果如图6。从EPMA扫描结果中可以看出，黑点的主要成分是C、N、Ti、Cr，应为Ti（C、N）或者TiC。此种第二相颗粒属于不可变形微粒，它的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来。当这种第二相粒子与运动位错相遇时，将使位错线绕着它发生弯曲。随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，于是正负位错彼此抵消，形成包围着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则越过粒子继续移动。显然位错按这种方式移动时受到的阻力是很大的，而且每个留下的位错环要作用于位错源形成反向应力，故继续变形时必须增大应力以克服此反向应力，使流变应力迅速提高。

3 结论

（1）409L不锈钢的强度在300～800℃迅速下降，800～1150℃下降变缓。

（2）409L不锈钢的伸长率，在1000℃时达到最大，为131.44%。断面收缩率在800℃时最大，为97.71%，900～1050℃范围内为最佳塑性区。

（3）409L不锈钢经过XRD物相鉴定，表明试样中有铁素体、Fe-Cr系合金和游离Cr元素。

（4）409L中的黑点为第二相颗粒，主要是Ti（C、N），该粒子可有效阻碍位错运动，从而提高钢铁材料的综合性能。

[1]杨瑞成，孟威，舒俊，等.铁素体不锈钢热轧板材的拉伸行为和断裂特征[J].兰州理工大学学报，2008，34（6）:25-29.

[2]余存烨.节镍不锈钢的开发与展望[J].化工设备与管道，2008，45（2）:4-8.

[3]Suzuki H G，Nishimura S，Yamaguchi S.Characteristics of Embrittlement in Steels above 600℃[J].Tetsu-to-Hagane，1979，65（14）:2038.

[4]Suzuki H G，Nishimura S，Imamura J.Hot Ductility in theTemperature Range between 900 and 600℃[J].Tetsu-to-Hagane，1981，67（8）:1180.

[5]刘宗昌.材料组织结构转变原理[M].北京:冶金工业出版，2006：31-35.

[6]毛卫民，朱景川，郦剑，等.金属材料结构与性能[M].北京:清华大学出版社，2008：179-183.

Heat Tensile Behavior and Fracture Characteristics of 409L Ferritic Stainless Steel

TAN Wei，JI GenShun，ZHANG JiaBin
（College of Materials Science and Engineering Lanzhou Univ.of Tech,Lanzhou 730050,Gansu China）

The mechanics properties and microstructure of as-cast 409L ferrite stainless steel at high temperature have been investigated by means of metallographic microscope,XRD,EPMA,draw testing machine respectively.The results showed that the tensile strength of 409L stainless steel decreased rapidly with rising of temperature at 300~800℃,this decreasing slowed down at 800～1150℃；elongation up to 131.44%the maximum value at 1000℃；the reduction ratio of area up to 97.71%the maximum at 800℃.The recrystallization temperature of 409L was about 950℃.It was showed that ferrite,Fe-Cr alloys and the free Cr were the main phase in 409L stainless steel by XRD.EPMA results showed that Ti（C、N）were major component in the particles of black punctuate secondary phases of 409L stainless steel,and the particles can improve overall performance of ferrous material.

430 stainless steel；High temperature mechanics properties；Ferritic stainless steel；Metallographic analysis

TG142.23;

A；

1006－9658（2011）03－3

2010－12－31

2010－193

谭威（1981-），男，在读硕士研究生，从事不锈钢高温组织性能研究