第24卷第5期2006年9 物理测试 Physics Examination and TestingVol.24,No.5 Sep.2006作者简介:王 健(19762),男,硕士生; E 2m ail :wj1976@ ; 修订日期:2006204210304不锈钢应变诱发α′马氏体相变及对力学性能的影响王 健1,2, 杨卓越1, 陈嘉砚1, 苏 杰1(1.钢铁研究总院结构材料研究所,北京100081;2.云南大学,云南昆明650091)摘 要:借助于X 射线衍射,研究了C 、Mn 、Cr 和Ni 含量对304奥氏体不锈钢拉伸力学性能和应变诱发马氏体相变倾向的影响。
结果表明:C 、Mn 、Cr 和Ni 在允许的成分范围内变化,应变诱发α′马氏体相变倾向差异很大,这导致屈服强度和抗拉强度复杂的变化,尽管应变诱发α′马氏体相变使加工硬化速率提高,相变可以诱发塑性,但相变速率较快,相变倾向较大的钢塑性反而下降,此外,由于室温变形还增大热诱发马氏体相变倾向,从而限制了C 、Mn 、Cr 和Ni 下限钢在高精度和低温环境下构件的应用。
关键词:304不锈钢;应变诱发;马氏体相变;拉伸力学性能中图分类号:T G 115.5 文献标示码:A 文章编号:100120777(2005)0520008204Strain 2induced Martensite T ransform ation and E ffects onMechanical Properties in 304Stainless SteelWAN G Jian 1,2, YAN G Zhuo 2yue 1, C H EN Jia 2yang 1, SU Jie 1(1.Institute of Structure Materials ,Central Iron &Steel Research Institute ,Beijing 100081China ;2.Yunnan University ,Kunmin 650091,Yunnan ,China )Abstract :By means of X 2ray diff raction technique ,the effects of C 、Mn 、Cr and Ni on the tensile properties and the tendency of strain 2induced martensite transformation in AISI 304stainless steel have been investigated.The re 2sults have shown that ,even though the variations of C 、Mn 、Cr and Ni were restricted to the standard specifica 2tion ,there existed significant difference with respect to the stability of austenite ,leading to the complex variation in yield strength and tensile strength.Despite increase in the rate of work hardening due to strain 2induced martens 2ite transformation and transformation 2induced plasticity ,the inferior ductility was caused by high rate of formation martensite in the steel with low C 、Mn 、Cr and Ni contents.Moreiover ,the deformation at room temperature in 2creased the tendency of thermally induced martensite transformation in steel with low C 、Mn 、Cr and Ni contents ,which give rise to low precision of components and brittlement in the steels used in low temperature.K ey w ords :304stainless steel ;strain 2induced ;martensite transformation ;tensile properties 奥氏体不锈钢组织是亚稳定的,在变形过程中发生应变诱发相变,相变产物为ε马氏体(hcp )和α马氏体(bcc ),其中ε马氏体仅在应变较小时形成,随应变的累积ε马氏体逐步消失,与此同时α′马氏体量持续增加,目前已在较宽的化学成分范围内,研究了应变诱发α′马氏体对加工硬化、塑性成形能力等力学行为的影响[1～3],由于这些研究不是针对某一种奥氏体不锈钢进行的,因此研究结果的适用性受到了限制,因此迫切需要针对某一种钢在允许的范围内变化成分时,应变诱发α′马氏体相变倾向、以及对力学行为的影响进行研究,以提高研究结果的实用性。
为此本文根据A ISI304钢标准冶炼了3炉钢,将C 、Mn 、Cr 和Ni 分别控制在上、中和下限,通过室温和液氮温度拉伸,对应变诱发α′马氏体相变倾向,以及对拉伸力学性能的影响进行了系统研究。
1 材料与试验方法 3炉试验钢用50kg 真空感应炉冶炼,将将C 、Mn 、Cr 和Ni 分别控制在上、中和下限,称为A 、B 和C 钢,其化学成分见表1。
冶炼后浇铸成40kg 的坯料。
经锻造、热轧后再冷轧成2mm ×110mm ×L mm 板材。
从板材上纵向切取标距为10mm ×40mm 的板拉伸试样,试样经过固溶处理(1050℃×30min 水冷)。
将固溶处理后的拉伸试样分为2组,第一组拉伸试样分别在室温和液氮温度(-196℃)下,在M TS 2880拉伸试验机上拉伸,夹头速度为2mm /min ,除测定力学性能外,将若干个试样拉伸到一定应变后中断,工程应变分别控制在0.06、0.12、0.18和0.24附近,以研究微观组织在应变累积过程中的演变,并用HV1210A 维氏硬度计测试上述各应变条件下的硬度,载荷为3Kg 。
在不同应变量的拉伸试样标距中心处截取长为15mm 的小块,经手工磨掉0.5mm 后再进行化学减薄,减薄液为HNO 3:HCl :H 2O =1∶1∶1,最后用X 射线衍射分析试样内的相结构。
表1 试验钢的化学成分T able 1 Chemical composition of thesteels investigated %编号CSiMnPSCrNiNA 0.0860.56 2.210.0060.00720.0910.110.012B 0.0690.58 1.620.0060.007619.069.420.0077C0.0550.581.070.0060.008217.968.220.00782 实验结果与讨论2.1 室温拉伸应变诱发马氏体 从表2室温拉伸性能结果可以看出:减少C 、Mn 、Cr 和Ni 含量使屈服强度(YS ),降低但抗拉强度则呈现较复杂的变化,A 钢的抗拉强度(TS )高于B 钢,这与C 、Mn 、Cr 和Ni 含量的差异有关,但C 、Mn 、Cr 和Ni 最低的C 钢抗拉强度反而高出许多,屈强比下降近40%,相同应变(0.06-0.3)的硬度也明显高出A 钢和B 钢(图1a ),因此C 钢在拉伸过程中微观组织演化与A 钢和B 钢不同,对比分析不同应变X 射线衍射结果,可以看出:A 钢和B 钢在拉伸变形过程中始终保持奥氏体状态,但C 钢应变较小时即形成应变诱发α′马氏体(图2),相应的变形是在奥氏体/α′马氏体复相组织内进行,随应变的累积,形成越来越多的α′马氏体,导致加工硬化速率显著提高,最终抗拉强度(TS )明显高出A 和B 钢。
表2 拉伸力学性能测试结果T able 2 Mech anical properties determined in tensile test 试验温度钢号R p0.2/MPaR m /MPaR p0.2/R mA /%20℃A2206270.3572B 2085630.3775C1828430.2261-196℃A 35713900.2760B 26014600.1847C22017030.1334(a )20℃;(b )-196℃图1维氏硬度随拉伸应变的变化Fig.1 Vickers hardness versus engineering strain(a )工程应变0.14;(b )工程应变0.27图2 C 钢室温拉伸变形后X 射线衍射谱Fig.2 X 2ray diffraction patterns of steel C deformed at 20℃9第5期 王 健等:304不锈钢应变诱发α′马氏体相变及对力学性能的影响 2.2 低温拉伸应变诱发马氏体 从表2低温(-196℃)拉伸性能变化可以看出:与室温拉伸的结果一致,减少C 、Mn 、Cr 和Ni 含量使屈服强度(YS )下降,而抗拉强度(T S )则表现出相反的规律,拉伸样品物相X 射线衍射分析表明:随应变累积,A 钢、B 钢和C 钢均形成α′马氏体,但相变倾向有较大的差异,随C 、Mn 、Cr 和Ni 含量降低、相变倾向明显增大,如图2所示应变6%时,A钢仅形成少量的α′马氏体,但C 钢中形成的α′马氏体已是主要组成相。
图3(b )表明应变累积到23%后C 钢以α′马氏体为主要相,奥氏体已成为极少量的残留相,因此尽管A 、B 和C 钢变形均在奥氏体/α′马氏体复相组织内进行,但A 钢要达到和B 钢一样的α′马氏体量,则需要累积较多的应变量,同样B钢要达到和C 钢一样的α′马氏体量,也需要累积更多的应变量,因此A 钢加工硬化速率始终低于B 钢[图1(b )];B 钢加工硬化速率也始终低于C 钢,最终抗拉强度(T S )与屈服强度表现出相反的规律。
(a )A 钢,工程应变0.06;(b )C 钢,工程应变0.06图3 -196℃拉伸变形后X 射线衍射谱Fig.3 X 2ray diffraction p atterns of steels deformed at -196℃2.3 应变诱发马氏体与塑性的相关性 前已述及,应变诱发α′马氏体相变提高了奥氏体不锈钢形变强化能力,根据Andrade 和Hong 的意见,提高形变强化能力可以抵消因截面减少增加的内应力,抑制局部塑性失稳(缩颈)的发生,而且α′马氏体相变本身可以诱发塑性,这些因素均改善奥氏体不锈钢的塑性。