乔吉新1,2,申俊杰1,2,王新宇1,2

(1.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津 300384; 2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心,天津 300384)

摘 要:对Sanicro25奥氏体耐热钢进行变形量分别为0,20%,50%的冷轧变形,通过组织观 察、电子背散射衍射、X射线衍射、拉伸试验和硬度测试等方法研究了冷变形对该钢显微组织、织构 和力学性能的影响。结果表明:在试验条件下冷变形时试验钢中未形成新相;随冷变形量的增加, 试验钢中孪晶数量和位错密度增加;试验钢在反极图z 方向上的晶粒取向<111>,<001>为不稳定 取向,冷变形导致了新的{112}<110>织构产生;随着冷变形量的增大,试验钢的 Rotatedcube{001} <110>和 Goss{110}<001>织构的强度总体呈减弱趋势,抗拉强度、屈服强度和硬度增大,抵抗塑性 变形能力减弱。

关键词:Sanicro25钢;冷变形;显微组织;力学性能;织构演变 中图分类号:TG337.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)10-0092-06

0 引 言

提高火力发电效率是降低能耗和污染的重要手 段。目前,我国正在投入使用的火电机组主要以亚 临界火电机组和超临界火电机组为主,其蒸汽参数 在17.0~25.5 MPa、540~567 ℃之间,发电效率只 有38%~41%;而蒸汽参数在30 MPa、600 ℃的超 超临界火电机组发电效率可以达到48%,蒸汽参数 高至30MPa、700 ℃的高温超超临界机组发电效率 可以提升到57% [1-2]。制约火力发电机组蒸汽参数 提升的关 键 技 术 是 核 心 高 温 材 料 的 选 择 和 研 制。 Sanicro25钢是瑞典山特维克(Sandvik)公司专门 92 乔吉新,等:冷变形对Sanicro25奥氏体耐热钢组织和性能的影响 为700℃高温超超临界机组开发的一种新型奥氏体 耐热钢,具有较高的蠕变强度、较好的组织稳定性、 优良的冷加工性能以及优异的抗蒸汽氧化和抗烟气 腐蚀性能,常应用于超(超)临界机组过热器/再热器 中[3-4]。优良的冷加工性能可以在生产制造高温器 件过程中减少材料用量,降低生产成本[5]。但是,冷 变形后奥氏体钢的组织形貌、力学性能、织构类型等 均会发生变化[6],并且织构的变化会对力学性能产 生明显的影响[7-9],导致奥氏体钢高温器件难以在机 组中长期稳定服役。为解决此问题,作者研究了不 同冷变形量对 Sanicro25奥氏体耐热钢显微组织、 力学性能和织构演变的影响规律,拟为进一步改善 Sanicro25奥氏体耐热钢性能提供理论指导。

1 试样制备与试验方法

试验材料为Sanicro25钢管,规格为?65mm× 10mm,化学成分见表1。采用线切割沿管长方向 切割出长度为220mm,宽度为30mm,厚度分别为 2.0,2.5,4.0mm 的板状试样,使用双辊冷轧机进行 多道次冷轧变形,其中2.0mm 厚试样未变形(变形 量为0),2.5,4.0mm 厚试样的变形量分别为20%, 50%。 表1 Sanicro25钢的化学成分 Table1 ChemicalcompositionofSanicro25steel 元素 C Mn P S Si Co W Cr Ni Nb N Cu 质量分数/% 0.04~0.1 0.60 0.025 0.015 0.4 1.0~2.0 3.0~4.0 21.5~23.5 23.5~26.5 0.4~0.6 0.2~0.3 2.5~3.5 图2 不同冷变形量试验钢的显微组织 Fig.2 Microstructuresofteststeelwithdifferentcolddeformations 沿轧制方向切割出立方体试样,经机械研磨、抛 光、王水腐蚀后,使用 OLYMPUS-BX51M 型 光 学 显微镜 观 察 显 微 组 织。使 用 岛 津 XRD-6100 型 X 射线衍射仪(XRD)对变形试样进行物相分析。立 方体试样经机械研磨、电解抛光后,使用 OxfordCnano型扫描电镜应用电子背散射衍射(EBSD)技术 进行织构分析。 沿轧制方向取样,制成如图1所示的拉伸试样, 拉伸 试 样 厚 度 为 2 mm,标 距 为 80 mm。 采 用 WDW300型万能试验机对试样进行室温拉伸试验, 拉伸速度为10mm·min -1。

2 试验结果与讨论

2.1 冷变形对显微组织的影响

图中 RD 为轧制方向,TD 为垂直于轧制面的 法线方向。由图2可以看出,未变形(冷变形量为 0)和不同冷变形量试验钢的显微组织均为多边形奥 氏体,奥氏体晶内分布有孪晶(箭头所指),孪晶数量 图1 拉伸试样形状和尺寸 Fig.1 Shapeandsizeoftensilespecimen 随着冷变形量的增大而增加。 图3中红色为小角度晶界(2°~15°),灰 色 为 大角度晶界(大于15°)。由图3可以看出:未变形 试验钢组织 中 存 在 少 量 的 小 角 度 晶 界,平 均 晶 粒 尺寸为143μm,且晶内出现少量孪晶;当冷变形量 为20%时,小角度晶界数量增加,占比达57.4%, 平均晶粒尺寸减小至109μm,晶粒中孪晶数量增 多且孪晶出现部分弯曲变形;当冷变形量为50% 时,小角度晶界占比增至85.4%,平均晶粒尺寸进 一步减小至76μm,晶粒细化,晶界模糊并产生更 多 孪晶。通常可将小角度晶界看成由一系列位错 93 乔吉新,等:冷变形对Sanicro25奥氏体耐热钢组织和性能的影响

2.2 冷变形对物相组成的影响

XRD 谱中衍射峰的高低反映了晶粒取向的强 弱。由图4可以看出:与未冷变形相比,冷变形后试 验钢的 XRD 谱中未出现新的衍射峰,说明冷变形 未导致新相形成,但是γ(111)和γ(200)衍射峰强度 减弱,而γ(220)衍射峰强度增大,这是由于在冷变 形过程中晶粒取向改变而导致的。

2.3 冷变形对织构的影响

图5中的不同颜色代表不同晶粒取向,其中红 色代表<001>取向,绿色代表<101>取向,蓝色代表 <111>取向。由图5可以看出:未变形试验钢的晶粒 取向主 要 以 <111>和 <101>为 主,同 时 存 在 少 量 的 <001>取向;当冷变形量为20%时,试验钢晶粒内部 出现渐变色,说明部分晶粒发生塑性变形,反极图z 方向上的晶粒取向转向<001>,而<111>取向的晶粒 数量减少,<101>取向的晶粒数量基本保持不变,说 明晶粒开始沿着 RD 方向拉长;当冷变形量为50% 时,<101>取向的晶粒数量增多,<111>取向的晶粒数 量继续减少,晶粒取向主要以<101>和<001>为主。由 此可见,在冷变形中,试验钢中的<111>,<001>取向为 不稳定取向,随冷变形的进行取向变化比较明显。 通过反极图难以对织构进行定量分析,只能作 定性分析。为了对不同冷变形量下的织构进行定量 分析,建 立 了 空 间 结 构 的 多 晶 体 取 向 分 布 函 数 (ODF)。 由图6对比图7 [10]可以看出:未变形试验钢在欧 拉角?2=0°的截面上出现 Rotatedcube{001}<110> 织构,在?2=45°截面上出现 Goss{110}<001>织构; 当 冷变形量为20%时,Rotatedcube{001}<110>和 94 乔吉新,等:冷变形对Sanicro25奥氏体耐热钢组织和性能的影响

2.4 冷变形对力学行为的影响

由图8可以看出:随着冷变形量增大,试验钢的 屈服强度和抗拉强度提高,断后伸长率下降;硬度随 冷变形量的增加而增大,试验钢产生了明显的加工 硬化现象,并且随着冷变形量增加硬化速率降低,这 与位错密度增加和孪晶的大量出现有关[12-13] ;屈强 比与硬度的变化趋势相同,且冷变形量为50%时, 试验钢的屈强比约等于1。 将试验测得的工程应力-工程应变曲线转换为 真应力-真应变曲线(图9),采用 Hollomon模型来 描述其加工硬化行为。Hollomon模型表达式为 95 乔吉新,等:冷变形对Sanicro25奥氏体耐热钢组织和性能的影响 σ为真应力;ε 为真应变;n 为加工硬化指数; K 为拟合参数。 利用式(1)对真应力-真应变曲线进行非线性拟 合,得到冷变形量为0,20%,50%时试验钢的n 值 分别 为 0.396,0.306,0.280,K 值 分 别 为 1266, 1909,2499,拟合相关系数均在0.99以上。n 决定 了金属材料抵抗塑性变形能力,n 值越大,抵抗塑性 变形能力越强。由此可见,随着冷变形量的增大,试 验钢的n 减小,抵抗塑性变形能力减弱。 综上所述,冷变形使得 Sanicro25奥氏体耐热 钢的织构发生明显变化,从而对宏观力学性能产生 显著的影响。随着冷变形量的增大,Rotatedcube {001}<110>和 Goss{110}<001>织构强度降低,抗拉 强度、屈服强度和硬度增大。

3 结 论

(1)Sanicro25奥氏体耐热钢原始组织中存在 少量孪晶和位错,经冷变形后组织中未产生新相;随 着冷变形量的增加,组织中的位错密度增加,孪晶数 量增多且 出 现 部 分 孪 晶 弯 曲 现 象,当 冷 变 形 量 为 50%时,晶粒细化,晶界模糊。 (2)Sanicro25钢在反极图z 方向上的晶粒取 向<111>,<001>为 不 稳 定 取 向,未 变 形 时 含 有 Rotatedcube{001}<110>和 Goss{110}<001>织构, 当冷变形量为20%时,Rotatedcube{001}<110>和 Goss{110}<001>织构逐渐转变为新的{112}<110> 织构和 Brass-R{111}<112>稳定织构,当冷变形量 为50%时,Rotatedcube{001}<110>织构又开始增 强,Goss{110}<001>和 Brass-R{111}<112>织构基本 消失。随着冷变形量增加,Rotatedcube{001}<110> 和 Goss{110}<001>织构的强度总体呈减弱趋势。 (3)随冷变形量的增大,Sanicro25钢的抗拉强 度、屈服强度和硬度都逐渐增大,断后伸长率下降,在 变形过程中发生了明显的加工硬化;其 Hollomon模 型中的加工硬化指数随冷变形量增加而减小,加工硬 化现象越发明显,抵抗塑性变形能力减弱。

来源：材料与测试网