加工工艺对AISI 308L不锈钢棒材组织与性能的影响

(西安诺博尔稀贵金属材料股份有限公司，西安 710201)

奥氏体不锈钢具有优异的力学性能及耐蚀性，被广泛应用于核工业[1]、海洋工业[2]、石油天然气工业[3]。近年来随着我国核电工业的大力发展，实现第三代压水堆堆芯材料国产化对我国实施核电“走出去”国家战略具有重要意义。由于服役环境的客观要求，核电用奥氏体不锈钢结构材料存在应力腐蚀和点腐蚀等局部腐蚀现象，这对材料的服役周期有十分重要的影响。

张瑜[4]研究了304L不锈钢在Cl-作用下的腐蚀行为，结果表明304L不锈钢的自腐蚀电位随着Cl-浓度增大而升高，且阳极极化曲线的钝化越来越明显。孙敏等[5]研究了含Cl-环境中温度对超高强度不锈钢腐蚀性能的影响，结果表明温度越高不锈钢的自腐蚀电位越低，腐蚀电流越大，腐蚀性能下降。

本工作采用不同的加工工艺制备出308L不锈钢棒材，并着重研究了加工工艺对材料显微组织、力学性能及耐蚀性的影响，以期对工业化生产提供指导。

1 试验

试验材料为AISI 308L不锈钢棒材，化学成分见表1。原材料直径为Φ30 mm，分别利用热轧或冷轧工艺将原材料加工至Φ10 mm的成品，对其进行固溶处理(1 050 ℃，5 min)后，对试样进行冷加工(形变量为15%～20%)，制得热轧试样及冷轧试样，对两种加工态试样进行敏化(650 ℃、2 h)，制得敏化态试样。

采用GX51倒置金相显微镜、UTM5205微机控制电子万能试验机对试样的显微组织、力学性能进行观察与测试。应用PARSTAT4000型电化学分析仪对加工态试样(热轧试样及冷轧试样)及其敏化态试样的电化学阻抗谱及极化曲线(Tafel曲线)进行了测试。试验溶液为室温下的3.5%(质量分数，下同)NaCl溶液，电解池采用三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极(SEC)，辅助电极为Pt电极；极化曲线扫描范围为-0.5～1.5 V(相对于自腐蚀电位)，扫描速率为2 mV/s。

表1 试验材料的化学成分Tab.1 Chemical composition of the test material %

2 结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可见：冷轧态试样经固溶处理后其晶粒尺寸较小，不超过20 μm；热轧试样经固溶处理后其晶粒尺寸较大，个别晶粒尺寸接近30 μm。

两种加工态试样经过敏化处理后，晶界仍有部分间隙碳化物析出，且冷轧试样的碳化物析出量明显多于热轧试样的。原因可能是由于热轧工艺会使308L棒材的显微组织产生更多的低∑CSL晶界；已有研究验证304奥氏体不锈钢具有面心立方晶体结构，且层错能较低，因此在晶粒长大过程中产生的多重孪晶会增加低∑CSL晶界比例，抑制碳化物的析出，提高其晶间腐蚀性能[6]。热轧试样的组织粗大，热轧试样及其敏化态试样在晶界处的碳化物析出量均较少，表现出较优异的抗晶间腐蚀性能。

2.2 力学性能

由表2可见：冷轧(热轧)试样及其敏化态试样的力学性能差别不大，加工硬化是其主要强化方式。冷加工变形会使奥氏体不锈钢棒材的抗拉强度，屈服强度显著提高，同时伴有塑性的丢失。敏化态试样的力学性能相对加工态试样的有所下降，这是因为析出的碳化物增加了材料基体的脆性。

(a)冷轧试样

(b)热轧试样

(c)冷轧敏化试样

(d)热轧敏化试样图1 采用不同加工工艺制得AISI 308L不锈钢棒材试样及其敏化态试样的显微组织Fig.1 Microstructure of AISI 308L stainless steel bar samples and their sensitized samples prepared by different processing techniques：(a)cold-rolling sample；(b)hot-rolling sample；(c)cold-rolling sensitization sample;(d)hot-rolling sensitization sample

表2 不同状态308L不锈钢棒材的力学性能Tab.2 Mechanical properties of 308L bars in different states

2.3 极化曲线(Tafel曲线)

由图2可见：热轧试样的自腐蚀电位高于冷轧试样的；热轧试样经敏化处理后，自腐蚀电位有所降低，而冷轧试样经敏化处理后的自腐蚀电位则略有升高。由图2还可见：几种试样的阳极极化曲线斜率均大于阴极极化曲线斜率，表明在NaCl溶液中，Cl-主要是通过与钝化膜中的O2-发生交换吸附破坏钝化膜而与基体金属离子发生反应，促进金属基体阳极溶解而腐蚀的。

图2 试样在3.5% NaCl溶液中的动电位极化曲线Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of samples in 3.5% NaCl solution

2.4 电化学阻抗(EIS曲线)

不锈钢的耐腐蚀性能主要取决于表面钝化膜的保护作用[7]。由图3可见：几种试样的电化学阻抗谱均为实部压缩的单个容抗弧。热轧、冷轧试样的容抗弧半径无明显差异，表明腐蚀过程的反应阻力无显著差异，两种试样均表现出优良的耐蚀性。

图3 试样在3.5% NaCl溶液中的电化学阻抗谱Fig.3 EIS of samples in 3.5%NaCl solution

3 结论

(1)热轧AISI 308L不锈钢棒材的晶粒较冷轧AISI 308L不锈钢棒材的粗大，且晶界析出的碳化物较少；采用不同工艺制备的棒材，其冷加工态及敏化态试样的力学性能并无明显差异。

(2)热轧AISI 308L不锈钢加工态棒材的自腐蚀电位高于冷轧加工态试样的，敏化处理对试样的自腐蚀电位没有明显影响。热轧、冷轧试样的容抗弧半径无明显差异，即腐蚀过程的反应阻力无显著差异，热轧、冷轧试样均具有优良的耐蚀性。