347H與321H不銹鋼因具有良好的耐晶間腐蝕、耐高溫、抗蠕變性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等行業(yè)。321H不銹鋼屬Cr-Ni-Ti系不銹鋼，Ti添加使基體中第二相主要以TiC形式析出，由于Ti的固碳作用有效抑制Cr23C6析出，有效提升了321H鋼種的高溫性能和耐晶間腐蝕能力。潘超對321不銹鋼中含鈦夾雜物析出行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)樣品冷卻速率對夾雜物析出后尺寸有顯著影響，通過水淬冷卻TiN夾雜物平均尺寸達(dá)到5μm，空冷條件下夾雜物平均尺寸達(dá)到6μm，以5℃/min隨爐冷卻則夾雜物平均尺寸增加至7μm，5μm以上夾雜物較水淬冷卻的不足1%增加至80%。Y Li等以SUS321中奧氏體晶粒尺寸為出發(fā)點(diǎn)，對馬氏體起始轉(zhuǎn)變溫度和相變路徑進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，當(dāng)奧氏體晶粒尺寸增加時，Ms點(diǎn)隨之增加，層錯能減?。划?dāng)奧氏體晶粒尺寸＜3.5μm時，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程逐漸被抑制。347H不銹鋼則屬于Cr-Ni-Nb系奧氏體不銹鋼，由于Nb的添加使得其具有良好的耐晶間腐蝕以及高溫組織穩(wěn)定性，并隨著聚焦式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，347H作為熔鹽儲罐用鋼受到廣泛關(guān)注。SＲ Akanda等對347H鋼種超臨界CO2動力循環(huán)降解過程中材料厚度( 2.54mm與0.6mm) 的影響進(jìn)行了研究，研究表明較厚規(guī)格347H鋼種表面形成完整的保護(hù)性氧化膜，最大限度保護(hù)基體不被腐蝕。
本研究將固溶處理后的347H與321H鋼種進(jìn)行對比分析，從第二相分布與宏觀力學(xué)性能的角度觀察Nb和Ti兩種添加元素對奧氏體不銹鋼材料性能的影響，為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
1試驗(yàn)
1.1 材料成分
347H鋼種與321H鋼種合金成分主要差異在于添加析出相元素的不同，其具體成分見表1。
1.2 試驗(yàn)方法
利用輥底式退火爐對347H與321H鋼種進(jìn)行固溶處理，并分別對8、14、16、20、22、25、30、35mm厚度規(guī)格取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。樣品加熱時間=樣品厚度×加熱系數(shù); 樣品保溫時間=樣品厚度×保溫系數(shù)。321H設(shè)定加熱系數(shù)1.4min /mm，保溫系數(shù)1.0min/mm；347H 設(shè)定加熱系數(shù)4.0min/mm，保溫系數(shù)6.0min /mm，具體固溶工藝如圖1所示。
將經(jīng)過不同固溶工藝處理后的347H與321H鋼種依次經(jīng)過240#、400#、600#、800#、1000#、2000#Si·C砂紙打磨，然后在金相拋光機(jī)分別利用2.0、0.5μm氧化鋯拋光劑拋光處理，最后用5gFeCl3+10mL鹽酸+60mL水腐蝕劑腐蝕，腐蝕用蒸餾水清洗表面，隨后用酒精擦拭、烘干。利用Axiovert 40 MAT型金相顯微鏡觀察金相組織，使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡( FEI QUANTA 650 FEG)觀察樣品表面顯微形貌和第二相，使用掃描電子顯微鏡上的自帶能譜儀分析基體與第二相元素組成。
2結(jié)果與討論
2.1 顯微形貌與第二相形態(tài)
對347H與321H鋼種固溶后表面顯微形貌如圖2所示。由圖2可知，固溶后兩種材料基體中均有第二相析出。347H樣品晶界位置析出較大的顆粒狀析出物，在其晶粒中有彌散分布的第二相存在，晶界處有利于第二相形核及長大，且該位置第二相顆粒易在變形過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而致使裂紋萌生；同時通過對晶界處第二相顆粒進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，主要由Fe-Nb-Cr-Ni構(gòu)成的金屬間化合物，析出后使得周圍組織中產(chǎn)生貧鉻、貧鈮區(qū)域，對材料抗腐蝕性和高溫性能帶來負(fù)面影響。彌散分布于晶內(nèi)的第二相可有效阻礙位錯運(yùn)動，形成第二相強(qiáng)化，進(jìn)一步提升材料強(qiáng)度。321H第二相析出物明顯較347H 析出物聚集且具有更大的幾何尺寸。通過EDS能譜分析發(fā)現(xiàn)第二相主要為Fe-Cr-Ti-Ni化合物。
321H與347H兩種材料基體相和析出第二相能譜分析見表2。由表2可知，析出第二相對于Cr、Ni、Ti、Nb等合金元素的聚集作用非常顯著。尤其在347H鋼種中，第二相中Nb達(dá)到26.5%，而其周圍基體中Nb僅占5.6%，同時，由于Nb與C形成化合物的能力強(qiáng)于Cr，因此在347H基體中Cr含量呈較高水平，第二相周圍未形成貧鉻區(qū)，對347H鋼種耐晶間腐蝕性能有較大幫助。
2.2 金相組織形貌
347H與321H鋼種固溶后金相組織如圖3所示。由圖3可知，347H鋼種固溶后有明顯的“混晶”現(xiàn)象，且“混晶”為細(xì)晶層與粗晶層相互堆疊形成，每層間距約100μm。形成這一現(xiàn)象的原因在于固溶過程中，晶界位置析出相重新溶解于基體中，但由于Nb擴(kuò)散能力較差，無法均勻擴(kuò)散至整個晶粒，因此保溫過程中，Ni 含量較少區(qū)域晶粒長大粗化，而富鈮區(qū)域則形成細(xì)小的再結(jié)晶組織。321H鋼種固溶后同樣存在“混晶”現(xiàn)象，但與347H鋼種不同，其“混晶”僅由個別粗大晶粒形成，其余組織多為細(xì)小的退火孿晶組織。
2.3 力學(xué)性能對比
347H與321H鋼種固溶后不同厚度規(guī)格屈服強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可知，隨著鋼板厚度增加，兩種材料屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢。其中321H鋼種屈服強(qiáng)度下降趨勢明顯，當(dāng)鋼板厚度為14mm時屈服強(qiáng)度曲線達(dá)到峰值277MPa，之后則隨厚度增長至35mm，屈服強(qiáng)度下降至217MPa，最大差值達(dá)到60MPa。347H鋼種屈服強(qiáng)度隨厚度增加同樣呈下降趨勢，但下降幅度較321H鋼種明顯減弱，其最大值為22mm厚度時達(dá)到256MPa，當(dāng)鋼板厚度達(dá)到30mm時，屈服強(qiáng)度降低至236MPa。通過兩條曲線對比發(fā)現(xiàn)，隨著鋼板厚度的增加，屈服強(qiáng)度均呈下降趨勢，但347H鋼種下降趨勢明顯弱于321H，同時當(dāng)厚度達(dá)到16mm以上時，321H鋼種屈服強(qiáng)度低于347H鋼種。
347H與321H鋼種固溶后抗拉強(qiáng)度隨厚度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，321H鋼種固溶后抗拉強(qiáng)度隨鋼板厚度增加變化趨勢與屈服強(qiáng)度一致，在樣品為14mm厚度時達(dá)到抗拉強(qiáng)度最大值613MPa，并在其后抗拉強(qiáng)度隨厚度增加逐漸降低，在30mm厚度時達(dá)到最低點(diǎn)僅為592MPa。347H鋼種固溶后抗拉強(qiáng)度隨厚度增加而增加，厚度為8mm時抗拉強(qiáng)度值為595MPa，當(dāng)厚度增加至35mm時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到635MPa。
321H與347H鋼種固溶后硬度隨鋼板厚度的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，321H鋼種在14mm厚度樣品時，硬度達(dá)到一個高點(diǎn)184HV，之后隨厚度的增加硬度反而下降，在樣品厚度為20mm時降到最低值166HV，其后硬度隨厚度的增加而增加，在35mm時達(dá)到175HV。347H鋼種在樣品厚度為14mm時同樣硬度達(dá)到181HV的較高值，并在16、30mm兩次小幅下降后，在35mm 時達(dá)到187HV的高點(diǎn)。在不同厚度規(guī)格條件下，347H鋼種強(qiáng)度、硬度優(yōu)于321H鋼種，一方面是由于兩鋼種成分差異，Nb添加后固溶到奧氏體基體中引起晶格畸變大于Ti 作用，同時347H Nb 添加量為0.5%，添加量大于321H，因此體現(xiàn)在力學(xué)性能上使得347H強(qiáng)度優(yōu)于321H。另一方面，固溶后347H鋼種固溶效果較好，形成細(xì)晶與粗晶分層堆疊的金相組織，其中細(xì)晶層為材料力學(xué)性能的提升做出較大貢獻(xiàn)。
321H與347H鋼種固溶后樣品不同厚度條件下延伸率變化曲線如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)321H鋼種鋼板厚度達(dá)到14mm以后，延伸率保持相對穩(wěn)定，隨厚度增長延伸率均維持在56%附近。347H鋼種延伸率隨鋼板厚度增長先增加后降低，在25mm時達(dá)到58%最高值，并在35mm厚度樣品中降低至50%。347H鋼種延伸率隨樣品厚度變化波動較大，其原因在于金相組織的不均勻性，隨著樣品厚度增加強(qiáng)硬度逐漸增強(qiáng)，塑性逐漸下降。
3結(jié)語
（1）321H鋼種固溶后在晶界位置與晶內(nèi)均析出較大的第二相顆粒；347H鋼種固溶后第二相組織溶解較為充分，僅存在一些細(xì)小的第二相彌散分布于基體中，固溶效果優(yōu)于321H鋼種。
（2）347H與321H鋼種固溶處理后均存在不同形式的“混晶”，347H“混晶”后形成明顯細(xì)晶層與粗晶層累積堆疊現(xiàn)象。
（3）在不同厚度規(guī)格下，347H鋼種展現(xiàn)出良好的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，321H鋼種延伸率未隨厚度變化而變化，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。
京公網(wǎng)安備11010802046783號
