S30432钢高温屈服强度波动现象的研究

王峥，王苗苗，崔正强

(上海发电设备成套设计研究院，上海　200240)

材料技术

S30432钢高温屈服强度波动现象的研究

王峥，王苗苗，崔正强

(上海发电设备成套设计研究院，上海200240)

对不同厂家的S30432钢管进行了高温拉伸性能研究，并对拉断后试样的显微组织进行分析研究。结果表明:在600～700℃，S30432钢的屈服强度出现波动，高温抗拉强度随着温度的升高呈降低趋势。微观组织分析发现，在700℃拉伸试验时，S30432钢中析出了较多弥散分布的强化相，阻碍了位错的运动，是S30432钢在700℃时的屈服强度略高于650℃的原因。

S30432钢;高温屈服强度;析出相;位错

S30432钢管是在ASTM S213 TP304H钢管的基础上，通过降低Mn含量上限，加入3%左右的Cu、0.45%左右的Nb和一定量的N，使该钢在服役时产生微细弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相。该富铜相与NbC(N)、NbCrN和M23C6等其他析出物一起产生极佳的强化作用，从而开发得到的一种综合性能优良的新型18-8奥氏体不锈钢。目前该钢已被列入ASME CODE CASE 2328-1标准;我国也将该钢纳入GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》标准，名称为10Cr18Ni9NbCu3BN［1］。

近年来，我国在S30432钢管的国产化研制工作上投入巨大，有多家企业、高校和研究院所都相继开展了科研攻关工作，并取得了相当不错的成果。上海发电设备成套设计研究院在进行S30432钢管系列高温拉伸试验过程中，多次发现700℃时的屈服强度略高于650℃的现象，笔者试图采用OM、SEM、TEM等对拉断后试样的显微组织结构进行分析研究，对这一现象进行解释。

1　高温拉伸性能

1.1试验材料

试验选用的S30432钢管分别为进口管、国内1号厂家a钢管、国内1号厂家b钢管(a、b为国内1号厂家不同批号材料)以及国内2号厂家钢管。

1.2高温拉伸试验

高温拉伸试验按照GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》标准进行。沿S30432钢管的纵向取圆柱形或瓦片状试样，在SHT5106电液伺服万能材料试验机上进行，将炉温控制在设定温度的±3 K。表1为各批号S30432钢管600～700℃的高温拉伸试验结果。从表1可以看出，700℃下的屈服强度略高于650℃，而抗拉强度则呈下降趋势。

表1　各批号S30432钢管的高温拉伸试验数据MPa

1.3不同试验加载速率对试验结果的影响

为探究不同试验加载速率对试验结果的影响，对国内1号厂家a钢管进行了不同试验加载速率的高温拉伸试验。速率1:在整个弹性范围内，试样应力速率保持在10 MPa/s，测定抗拉强度时，采用位移速率为2.5 mm/min进行试验。速率2:在整个弹性范围内，试样应力速率保持在30 MPa/s，测定抗拉强度时，采用位移速率为7.5 mm/min进行试验。试验结果见表2。

表2　a钢管高温拉伸试验数据

由表2可知:改变试验加载速率后，700℃的屈服强度仍然略高于650℃，抗拉强度则还是低于650℃。图1为国内1号厂家a钢管在不同温度下试验力-位移曲线图。

不同试验速率下，图形没有太大的差别。考虑到不同试验机所用软件不同的影响，在不同试验机上做试验，出现结果相同。由图1可以看出:S30432钢在600℃和650℃的拉伸曲线在屈服点过后都出现了锯齿状，至700℃，此现象消失。有研究认为:锯齿是高温变形中的加工硬化引起的［2］。

2　显微组织结构分析

高温拉伸试验后的显微组织结构分析试样取自距离断口5～10 mm处(非颈缩处)。

通过OM和SEM对国内1号厂家a钢管高温拉伸试验(试验加载速率为速率1)后的试样进行观察发现:S30432钢管试验后的金相组织为原奥氏体组织+滑移带/孪晶+弥散相。由于高温下受到应力的影响，奥氏体晶界之间有相对较小的滑动，产生了被拉开的迹象。随着试验温度的升高，试样组织中析出物的数量不断增加;700℃拉伸试样的晶界已经有较多析出相(见图2)。

TEM明场像观察结果表明:S30432钢在600～700℃下拉伸断裂后，在奥氏体晶内产生大量的滑移带/孪晶，这些滑移带/孪晶一般都没有贯穿整个晶粒;不同状态断裂样品晶界和晶内都有大量的位错，并且在奥氏体晶界都有位错塞积的现象，晶内有细小析出相阻碍位错运动的现象; 700℃试样与600℃的相比，600℃断裂样品中的位错虽有弯曲现象，但大部分位错较平直;700℃断裂样品中大部分位错较弯曲，部分位错甚至出现打圈的现象(见图3)。显微组织中的析出相主要为Cr23C6和少量的NbC(N)。Cr23C6主要沿奥氏体晶界分布，NbC(N)则主要分布在奥氏体晶内。

3　分析讨论

S30432钢管在高温拉伸后，晶界和晶内都有大量的位错，并且在奥氏体晶界有位错塞积的现象，晶内有细小析出相阻碍位错运动的现象; 600℃断裂样品中位错虽有弯曲的现象，但大部分位错较直，这可能是由于析出相太过细小，钉扎位错效果不是十分明显。而700℃断裂样品中大部分位错较弯曲，有些甚至出现了打圈现象，这表明在700℃时，晶内析出相钉扎位错效果强烈。正是由于晶内析出相钉扎位错的效应增加，以致出现700℃下S30432钢屈服强度略高于650℃时的现象。超过屈服点后，晶间变形开始逐步显现，晶内析出相强化机制逐渐趋弱，随着高温拉伸试验温度的上升，S30432钢的抗拉强度呈现下降趋势。

4　结语

通过对不同厂家和批次试样的高温拉伸性能和试样的显微组织结构分析，发现S30432钢700℃进行拉伸试验时，晶内析出相略多，析出相钉扎位错效果强烈，导致S30432钢700℃时的屈服强度略高于650℃，高温屈服强度产生了波动。

［1］杨华春.日本S30432奥氏体不锈钢锅炉管评价［J］.东方锅炉，2003(2):13-24.

［2］张冬宇.轧制过程中钢的奥氏体变形与再结晶［J］.金属世界，2007，9(3):39-42.

Study on High-temperature Yield Strength Fluctuation of the S30432 Steel

Wang Zheng，Wang Miaomiao，Cui Zhengqiang
(Shanghai Power Equipment Research Institute，Shanghai 200240，China)

High-temperature tensile tests were conducted toS30432steel tubes made bydifferent manufacturers，while the microstructures of corresponding tensile fracture surfaces were analyzed.Results show that the yield strength of S30432 steel fluctuates in the temperature range of 600-700℃，and its high-temperature tensile strength increases with the rise of temperature.Through microstructure analysis，the reason why the yield strength of S30432 steel at 700℃is slightly higher than at 650℃is found to be caused by much dispersion strengthening phases precipitated at 700℃，which inhibit the movement of dislocations.

S30432 steel;high-temperature yield strength;precipitated phase;dislocation

TG142.71

A

1671-086X(2016)01-0028-03

2015-04-22

王峥(1982—)，女，工程师，主要从事材料及试验技术研究。

E-mail:wangzheng@speri.com.cn