奥氏体不锈钢的变形程度及再结晶退火对硬度性能的影响

杨方敏，回士旭，高雷雷

（河北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山063009）

0 引 言

奥氏体不锈钢：在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8%～10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体型不锈钢的显微组织为奥氏体。它是在高铬不锈钢中添加适当的镍（ωNi=8%～25%）而形成的。

本文针对奥氏体不锈钢变形量、变形程度和退火温度对硬度的影响，选用0Cr18Ni9Ti钢对不同变形程度及加热温度对硬度的影响的研究，为常温轧制与硬度的关系研究提供了理论依据。

1 试验条件

1.1 材料

试验用钢为国产3.20mm厚度的0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，化学成分如表1所示。试样均取自同一炉钢。钢的原始硬度为：HBS238.3。

表1 Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的化学成分（质量百分比，%）

1.2 试样的制备过程

(1)试验材料取6个0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢试样作为冷轧原始试样，用卡尺测定其厚度为h0=3.20mm。塑性变形量的大小，常依据变形方式的不同用不同的指数来表示[1]。变形程度用下列公式表示：

式中，e%为变形程度，h0为试样的原始厚度（mm），h1为试样变形后的厚度（mm）。如表2所示为不同压下量后试样的厚度以及金属的变形程度。

表2 试样的不同压下量

(2)将经过轧制后的试样按依照变形程度由小变大依次编好号后，将每个轧件切成6块，再各取试样一块即6块为一组，分为六组，然后分别加热到750℃、850℃、950℃、1050℃、1150℃，保温1h后水冷；最后剩一组直接测定其常温硬度。

1.3 试验方法

轧机：φ170×250二辊轧机。

热处理：用意丰箱式电炉再结晶退火。

腐蚀：稳压恒流电源、草酸

硬度：HD1—1875型布洛维硬度计测定其布氏硬度值。

1.4 热处理工艺

0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢试样的退火热处理工艺见图1。

图1 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢再结晶退火工艺示意图

用ZEISS卧式金相电子显微镜观察变形，硬度用HD1—1875型布洛维硬度计测定其布氏硬度值。

2 试验结果与分析

2.1 变形量对硬度的影响

在塑性变形中，随着金属内部组织的变化，金属的机械性能也产生了明显的加工硬化[2]，即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性产生了下降。

图2 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的应变—硬度关系图

如图2所示,通过对原始试样不同变形量后测定的结果。可见，第Ⅰ阶段，压下量为10%前时，硬度几乎成直线急剧变化；第Ⅱ阶段，压下量为 10%～50%左右，硬度曲线逐渐变得平缓；第Ⅲ阶段，压下量为50%以后，硬度变化几乎成直线。

加工硬化的原因，在于位错运动受阻。在0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢中有许多位错运动的障碍，最主要的是：1）其他位错；2）晶界和亚晶界；3）溶质原子；4）第二相微粒；5）表面膜。其中第2）、3）、4）种障碍分别相对应于细晶强化、固溶强化和第二相强化（包括沉淀强化和第二相强化）。

图3 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢回归后的应变—硬度关系图

经计算后得到图3 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的应变—硬度关系图（图2），由图3回归得到的线形方程为：

式中，HBS为硬度，e为变形程度。

这为实际中的硬度的确定所需要的变形量提供了理论参考。

2.2 退火后晶粒大小的金相组织照片

图4 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢在不同退火温度的金相组织示意图

对于本试验来说，影响晶粒大小的因素主要是变形度和变形温度，变形量越大，晶粒越细小。

2.3 变形程度和再结晶退火温度对硬度的影响

图5 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢应变—退火后的硬度关系

由图5知，通过对变形金属再结晶退火后，奥氏体不锈钢的硬度发生了明显的变化，但这并不意味着与变形前的金属完全相同，其中心问题是再结晶的晶粒大小问题。在刚开始的时候，硬度逐渐升高，这是金属在发生再结晶的结果，当硬度升高到一定的峰值后又开始下降，而这个峰值为金属再结晶刚好完成。随着金属晶粒的长大，硬度又开始下降。又随变形程度的增加，退火的原始晶粒尺寸越细，则再结晶后的晶粒也越细。这是由于细晶粒金属存在着较多的晶界，而晶界又往往是再结晶形核的有利地区，所以，原始细晶粒金属再结晶退火后仍会得到细晶粒组织，故硬度也会升高。同时，退火温度越高，硬度值相对于越低。这是在温度高的情况下，晶粒会长的越大，故硬度就会越小。在 1050℃和 1150℃时，它们的硬度在一个小时的保温时间后，趋于一致，这是因为：当晶粒长大到一定大小后，晶粒长大趋势变缓，最后停止长大[2]。

3 结 论

(1)通过实验得到了 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢回归后的应变—硬度关系图为确定实际的硬度需要的变形量提供了理论参考，其回归后的线性方程也为常温变形量对硬度的改善起了一定的生产实际评估作用。

(2)退火温度越高，硬度值相对于越低。变形量为50%左右，加热温度为750℃时，是获得硬度的最佳热处理工艺。变形量越大，晶粒越细小；加热温度越大，试样硬度相对越小。

[1] 汪大年. 金属塑性成形原理[M]. 北京：机械工业出版社.1982：60-70

[2] 崔忠圻. 金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，2000：187

[3] 刘宗昌，任慧平，宋义全. 金属固态相变教程[M]. 北京：冶金工业出版社，2003