时效时间对304不锈钢力学性能及显微组织研究*

胡　静，严　辉，谢　焱，张先林，谢文玲，廖向开

(四川理工学院机械工程学院，四川　自贡　643000)



时效时间对304不锈钢力学性能及显微组织研究*

胡静，严辉，谢焱，张先林，谢文玲，廖向开

(四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000)

研究了形变后时效时间对304不锈钢延伸率、硬度和显微组织的影响。结果表明：采用室温拉伸30%后进行900 ℃时效10～30 min热处理的相变循环，相变循环2次后，均实现了超塑性，随着时效时间的增加总延伸率增加，时效20 min后达到最大值195%后减小，硬度呈现类似的变化规律。显微组织观察结果表明，随着时效时间的增大，晶粒尺寸先减小后增大，在时效20 min时晶粒最小。

延伸率；相变循环；超塑性；304不锈钢；时效时间

304不锈钢是产量和消费最大、最知名的一种18-8型铬镍不锈钢，具有良好的抗氧化性、较高的力学性能和优良的耐腐蚀性，在能源、化工、航空、汽车工业、船舶制造以及食品医疗等行业都得到了广泛的应用[1]。近年来随着研究手段的进步，对304不锈钢通常采用固溶处理、去应力退火、稳定化处理、冷轧加高温退火、激光冲击技术、低温变形热处理技术、高温拉伸技术等方法提高其机械性能，包括强度、塑性、韧性、延展性[2-7]。304不锈钢属奥氏体不锈钢，室温下为奥氏体组织，利用一定的形变诱导马氏体相变，使其获得马氏体组织。再通过一定温度一定时间的时效处理，使马氏体逆相变可重新获得奥氏体组织，完成一次相变循环。利用马氏体相变循环可实现304不锈钢的超塑性，为304不锈钢实现超塑性提出了简单而有效的新方法[8-10]。

本文在室温下对304不锈钢棒材进行拉伸变形，然后进行时效处理，研究形变后时效时间对304不锈钢延伸率、强度、硬度的影响规律。在光学显微镜下观察金相组织，研究形变后时效时间对304不锈钢显微组织的影响规律。

1　实　验

1.1实验材料

实验材料采用直径为Φ4 mm的304不锈钢棒材，化学成分如表1所示，其余为Fe。将不锈钢棒材采用线切割加工为Φ4 mm×120 mm的试样，实验初始标距取为60 mm。

表1　304不锈钢合金成分

1.2实验方法

将试样在拉伸机上拉伸30%诱导马氏体相变，之后于900 ℃时效不同时间使马氏体逆相变，这样完成一次相变循环。拉伸采用HX-128-70M高低温型拉力机拉伸，拉伸速度7 mm/min，时效在箱式热处理炉里进行,温度为900 ℃，时效时间分别为10、20、30 min。

超塑性的大小采用总延伸率作为指标，将不同时效时间相变循环2次后的试样以7 mm/min的拉伸速度拉断，将断后试样与原试样相比，得到总的延伸率。该总延伸率即为不同时效时间下试样的总延伸率δ总。当总延伸率δ总≥100%时，即获得超塑性。

利用布洛维硬度计(压头为金刚石圆锥)测得不同条件下试验后的试样的硬度HRC。将不同时效时间后的试样经切割、粘样、粗磨、细磨、抛光处理后进行腐蚀(腐蚀剂为静置24 h后的王水)，采用金相显微镜观察显微组织[1]。

2　结果与讨论

2.1时效时间对304不锈钢延伸率的影响

图1为拉伸速度为7 mm/min，时效温度为900 ℃，时效时间分别为10 min、20 min、30 min，两次相变循环后试样的总延伸率。结果表明：相变循环2次后试样均实现了超塑性,试样的延伸率随时效时间的升高呈现先升高后降低的趋势。利用金相显微镜观测其显微组织，在10～20 min的时效时间内晶粒由大变小(见图3a、b)，延伸率随时效时间的升高而升高；当时效时间为20 min时晶粒最大(见图3b)，延伸率达到最大值195%；在20～30 min的时效时间内晶粒由小变大(见图3b、c)，延伸率随时效时间的升高而下降。

图1　时效时间对延伸率的影响

2.2时效时间对304不锈钢硬度的影响

图2是拉伸速度为7 mm/min，时效温度为900 ℃，时效时间分别为10 min、20 min、30 min，两次相变循环后试样的硬度。结果表明：试样的硬度随着时效时间的升高而先增大后减小。硬度随时效时间的升高而增大，当时效时间为20 min时硬度达到最大值33.4 HRC，之后硬度随时效时间的升高而下降。

图2　时效时间对硬度的影响

2.3时效时间对304不锈钢显微组织的影响

图3　时效时间对304不锈钢显微组织的影响(×800)

图3为拉伸速度为7 mm/min，时效温度为900 ℃，时效时间分别为10 min、20 min、30 min，两次相变循环后试样的显微组织形貌。由图3可知，时效时间为10 min的晶粒较为粗大(见图3a)，试样洛氏硬度为33.1 HRC；时效时间为20 min时，晶粒变得更细小而均匀，试样洛氏硬度为33.4 HRC(见图3b)；时效时间为30 min时，晶粒较时效时间为20 min下的晶粒粗大，试样洛氏硬度为32.5 HRC(见图3c)。

在相变超塑性中，塑性的提高主要是由于每一次相变和逆相变积累的塑性，室温拉伸形变获得的马氏体在时效时会重新转变为奥氏体。合金晶粒越细，晶界面积越大，对位错运动的阻碍越大，材料形变的阻力越大，材料硬度强度越高[11-13]，塑性也会增加。随时效时间增加，晶粒变细，因此塑性得以提高，硬度也增加，但时效时间过长，会导致试样晶粒长大，从而导致试样的塑性和硬度都降低。

3　结　论

(1)采用室温拉伸30%后进行900 ℃时效10～30 min热处理的相变循环，相变循环2次后，均实现了超塑性。

(2)拉伸速度为7 mm/min，时效温度为900 ℃，时效时间分别为10 min、20 min、30 min，2次相变循环后，随着时效时间的增加总延伸率增加，时效20 min后达到最大值195%后减小，硬度呈现类似的变化规律。原因在于随时效时间增加，晶粒变细，塑性得以提高，硬度也增加，但时效时间过长，会导致试样晶粒长大，从而导致试样的塑性和硬度都降低。

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Study on Aging Time on Mechanical Properties and Microstructure of 304 Stainless Steel*

HUJing,YANHui,XIEYan,ZHANGXian-lin,XIEWen-ling,LIAOXiang-kai

(College of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Sichuan Zigong 643000, China)

The effect of aging time after deformation on the elongation, hardness and microstructure of 304 stainless steel was studied. The results showed that after stretching 30% at room temperature and then aging at 900 ℃ for 10 to 30 min as one phase change cycle, after two cycles, the phase transformation superplasticity can be achieved. With the increase of the aging time the total elongation increased, and reached the maximum of 195% for aging 20 min, and then decreased. The changing rule of the hardness was similar. The microstructure observations showed that with the increase of aging time, grain size decreased firstly, and then increased, and the grain size was the most small for aging 20 min.

elongation; phase change cycle; super-plasticity; 304 stainless steel; aging time

国家自然科学基金(51301115)；大学生创新基金项目(201410622029，201510622050)。

TG142.25,TG156.92

A

1001-9677(2016)012-0082-02