C元素对0Cr19Ni9钢高温力学性能的影响

李 宁， 杨功斌， 金艳阳

（沈阳科金特种材料有限公司， 辽宁 沈阳 110101）

304奥氏体不锈钢是工业领域应用最常见、最广泛的不锈钢，通常由铬和镍配合而成，也是最常见的，其为18-8型不锈钢钢种之一[1-3]。这类钢具有良好的耐腐蚀性，由于为面心结构材料，故其具备良好的室温及低温韧性、塑性，没有冷脆倾向，具有微弱的磁性，且冷加工硬化能力也很高。由于奥氏体比铁素体再结晶温度高，所以这类钢可以作为在350℃以上工作的热强钢材料，因此，0Cr19Ni9钢被广泛应用于阀门类等压力容器类产品制造所需的原材料[4，5]。

0Cr19Ni9钢在室温下的平衡组织是由α铁素体加奥氏体组成，由于在固溶状态下其耐蚀性和高温力学性能较好等优点，故该材料固溶状态的应用范围特别广泛[6-8]。0Cr19Ni9钢的高温性能的好坏直接制约着该材料的使用范畴，本文主要研讨影响0Cr19Ni9钢固溶效果的主要因素以及如何提升0Cr19Ni9材质的350℃高温力学性能，增强材料的使用性能。

1 试验材料与方法

试验用坯料选用真空感应炉熔炼成的规格为200 mm×200 mm×300 mm钢锭，三种坯料的化学成分如表1所示，其中各坯料的w（C）分别为0.014%，0.047%和0.078%，其他元素化学成分差异不大。坯料经750 kg锻锤开坯成100 mm×100 mm×1 200 mm长方坯料，然后统一采用1 050℃×3 h热处理后水冷的固溶冷却方式。固溶处理后的试样分别加工成12.5 mm×120 mm的标准圆形拉伸试样和晶间腐蚀试样，在CMT4000型万能试验拉伸机中进行350℃高温力学拉伸实验，按照GB/T4334.5中的规定对晶间腐蚀试样进行相关实验，采用OLYMPUS GX51型光学金相显微镜观察金相，采用ZEISS EOV18型SEM观察弯曲试样的断口和能谱分析，并对实验结果进行分析。

表1 0Cr19Ni9不锈钢的化学成分 %

2 试验结果与分析

2.1 C元素含量对高温拉伸性能的影响

下页表2为不同C元素含量的0Cr19Ni9不锈钢在固溶热处理后，钢锭A、B、C的试样所检测的力学高温拉伸性能结果。通过表2可以看出，当钢锭的C元素含量不同时，材料在350℃高温表现出了不同的力学性能，其高温性能随着C元素含量的增加而呈现递增趋势，造成这种性能的差异主要是因为0Cr19Ni9不锈钢材料在固溶时，C元素原子半径小，故而C元素以间隙固溶体的方式形成晶格畸变，造成位错密度增加，起到固溶强化作用。由于0Cr19Ni9奥氏体钢为面心晶格材料，其固溶体溶解度比较大，所以C元素能大量的溶解到固溶体内，C元素的溶解使得晶格畸变时产生了应力场，与位错周围的弹性应力场相互影响，让合金组元的很多其他原子聚集在位错周围形成强化的“气团”，起到了针扎晶界迁移的作用，当进行力学高温拉伸实验时，试样内部微观的位错滑移难度加大，使试样的切变应力加大，造成了试样宏观上的强度的提升，因而使得我们看到的0Cr19Ni9不锈钢材料的350℃高温性能随着C元素的增加而表现出力学性能不断提升。

表2 不同C含量的0Cr19Ni9不锈钢的高温性能（350℃）

2.2 C含量对晶间腐蚀的影响

将不同C含量固溶热处理后的0Cr19Ni9试样按照标准规定进行弯曲，试样弯曲后的晶间腐蚀检测结果如表3所示。通过表3可以看出，当钢锭的C元素含量不同时，材料在晶间腐蚀实验中，出现了不同的实验结果，当w（C）增加到0.078%时，C试样的晶间腐蚀试样出现开裂。根据钢锭C的晶间腐蚀实验结果，选取了开裂部位进行微观组织观察。

表3 不同C元素的0Cr19Ni9不锈钢的晶间腐蚀实验结果

图1中500倍光学显微镜金相形貌，图中的金相微观组织为奥氏体组织，其中该图片观察的组织图中，在晶界和晶内处存在一些不同形态的碳化物。

图1 钢锭C晶间腐蚀断裂部位的组织观察

结合图1所示的微观组织图片，我们发现，随着化学元素C元素的增加，引发的成分偏析愈发明显，在C元素浓度大的区域，当C元素局部无法全部固溶于固溶体时，未被固溶的C元素由于原子半径较小，故而游离固溶体，由于C原子本身的亲和力强，它结合附近的Cr元素，形成富含大量C、Cr等元素组成的碳化物，其主要碳化物为M23C6，这些碳化物主要在晶界和晶内析出和沉淀，这样引起了附近区域Cr元素的降低，由于Cr元素扩散速度缓慢，造成了Cr元素的局部富集，进而使得固溶基体出现贫铬区和富铬区，这种化学成分的不均匀，造成了贫铬区和富铬区之间的电极电位差加大[9]，导致了同一金属材料在微观上不同区域间出现了不同的电极电位，使该钢在电解质溶液中产生微电池作用，进而产生电化学腐蚀，这极大的降低了材料抗晶间腐蚀的能力，非常不利于材料的晶间腐蚀。0Cr19Ni9材料晶界和晶内析出的M23C6碳化物除了产生电化学腐蚀，促使0Cr19Ni9钢的耐蚀性进一步下降之外，该碳化物大量的析出也破坏了材料基体的连续性和稳定性，当受到外界施加的应力时，基体0Cr19Ni9不锈钢材料内部各个部位出现了不同的变形抗力行为，其力学性能表现出不一致塑性性能，进而在承受抗力较弱的部位优先出现微裂纹，即材料的局部断裂破坏，这也是钢锭C晶间腐蚀试样断裂主要原因。

3 结语

0Cr19Ni9不锈钢中，随着合金元素C元素含量的增加，0Cr19Ni9材料的350℃高温力学拉伸性能逐渐增加，当w（C）为0.078%时，Rp0.2和Rm分别增长到163 MPa和419 MPa。随着C含量的增加，含碳量较高的试样在晶间腐蚀实验时出现微裂纹，造成这种腐蚀的主要原因是的M23C6碳化物产生。因此，采用增加0Cr19Ni9不锈钢材料C元素含量可以提高材料的350℃高温力学性能，但同时要合理控制的C含量范围，避免产生M23C6碳化物，进而避免材料的耐蚀性下降，使得材料的使用功能不发生较大改变。

[1]Talonen J，H nninen H.Formation of shear bands and strain-induced martensite during plastic deformation of metastable austenitic stainless steels[J].Acta Materialia，2007，55：6 108-6 118.

[2]Rezaee A，Kermanpur A，Najafizadeh A，et al.Investigation of cold rolling variables on the formation of strain-induced martensite in 201Lstainless steel[J].Materials&Design，2013，46：49-53.

[3]陆世英.不锈钢概论[M].北京：中国科学技术出版社，2007：114-172.

[4]梅应虎，张东辉，孙树惠.奥氏体不锈钢压力容器的制造特点[J].压力容器，2016，33（4）：65-69.

[5]黄嘉琥，陆戴丁.低温压力容器用不锈钢（一）[J].压力容器，2014（5）：7.

[6]李延莉.热处理对奥氏体不锈钢组织和性能的影响[D].大庆：大庆石油学院，2008.

[7]张青绒，杨兵，霍登平，等.热处理制度对0Cr18Ni9材料组织及性能的影响[J].热加工工艺，2013，42（8）：184-186.

[8]周广，郭明富，许士海.0Cr18Ni9不锈钢经热加工后是否需要固溶处理的试验研究[J].中国化工装备，2004（2）：39-42.

[9]王健安.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，1980.