热处理细化_双相不锈钢晶粒的研究
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Abstract: To elim ina te the ha rm fu l effect of coa rse ∆ ferrite, the m ethod to refine the g ra in size of the C r25N i5M o115 dup lex sta in less steel w a s invest iga ted th rough hea t t rea tm en t1 T he react ion s em 2 p loyed in the hea t t rea tm en t w ere Ρ react ion ∆→Χ+ Ρ and an t i2Ρ react ion Χ+ Ρ→∆1T he resu lt s show th rough 750℃×38h Ρ t rea tm en t, the ∆ ferrite t ran sfo rm s to com po site of fine Χand Ρ p ha ses1 V ery fine ∆ ferrite can be ob ta ined th rough rap id hea t ing an t i2Ρ t rea tm en t1 A fter refin ing ferrite, the im 2
铁素体- 奥氏体 (∆ Χ) 型双相不锈钢具有许多突 出的优点。它比奥氏体不锈钢具有更高的强度, 比铁 素体不锈钢具有更高的韧性, 具有优良的抗应力腐 蚀、氢脆、晶间腐蚀及点蚀的性能, 并具有良好的焊 接性能[1—3], 被广泛地应用于制造化工、食品加工、造 纸、 制药和海洋开发的机器设备和仪器仪表[4- 6]。
图 3 不同热处理工艺下 Ρ 相含量的变化 F ig13 T he con ten t of Ρ p hase after d ifferen t heat treatm en ts
213 反 Ρ 化处理的显微组织 冲击试样反 Ρ 化处理的工艺及结果见表 2 。可以 看出, 工艺 1 处理后, ∆2铁素体的晶界呈断续状, 晶 界残缺; 工艺 2, 3 处理后, 都可以细化 ∆2铁素体, 但 工艺 3 处理后还残存有少量的 Ρ 相, 而工艺 2 可以使 Ρ 相基本上消除, 见图 4, 图 5。
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后进行等温, 使其中的 ∆ 铁素体相发生 ∆→Χ+ Ρ 相 变[7- 9], 为反 Ρ 化处理准备良好的前期组织。选定的等 温温度为 600℃, 650℃, 700℃, 750℃, 800℃, 等温 时间为 10～ 110h。对 Ρ 化处理后的样品进行显微组织 观察和 X 射线衍射分析, 以确定最佳的 Ρ 化处理工艺 和 Ρ 相的变化量。进行显微组织观察的试样先经机械 磨光, 再进行电解抛光, 电解抛光液为: 高氯酸钾 25g + 冰乙酸 500g, 电流密度为 012A mm 2, 抛光时间为 90s, 然后, 用氯化铁饱和盐酸溶液侵蚀, 侵蚀后的样 品用金相显微镜进行组织观察。
1 试验
111 试验材料 试验所用的 C r25N i5M o 115双相不锈钢由 315 吨碱 性电炉冶炼, 化学成分见表 1。材料原始态的处理工艺 为 1050℃×2h 水冷+ 300℃×4h 炉冷。 112 小试样的 Ρ 化处理 将 5mm ×5mm ×2mm 的小试样加热到某一温度
热处理细化 ∆ Χ双相不锈钢晶粒的研究
表明, 在铁素体中, 确实发生了预期的 ∆→Χ+ Ρ 相变, 并有可能利用这一相变进行铁素体的细化。
Ρ 相的析出与处理温度有密切的关系。温度高时, Ρ 相会在 ∆ Χ相界和 ∆相内同时生核、 生长; 温度低 时, Ρ 相则偏聚在 ∆ Χ相界生核, 然后向 ∆相内生长, 而且温度越低这种倾向越明显。温度不同, Ρ 相析出的 形态也有差别。 温度高时, Ρ 相容易形成块状或短棒 状。温度低时, Ρ 相较容易形成片层状组织, 而且温度 越低层片越细。
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材料工程 2002 年 5 期
时 Ρ 相也容易聚集长大为块状。温度降低, C r, M o 的 扩散系数减小, 但由于晶界的扩散系数高于晶内的扩 散系数, 而且 ∆ Χ相界面的 C r, M o 比率有利于 Ρ 相 的形成, 因此主要为相界析出, 最后形成较细的片层。 在长时间的等温过程中, Ρ 相会发生粗化并聚集 成块状, 见图 1c。显微观测发现, 温度越高粗化速度 越快, 700℃等温 80h 出现粗化, 750℃等温 60h 后 Ρ 相出现粗化, 而 800℃等温 38h 就出现粗化, 等温 50h Ρ 相已相当粗大。 212 Ρ 化处理中的 Ρ 相含量的变化 Ρ 化处理中的 Ρ 相含量的变化结果见图 3。可以看 出, 在三种处理温度下, Ρ 相开始都增加较快, 并随着 等温时间的延长而增加, 到一定的时间后趋于稳定。 但 750℃等温, Ρ 相的增加速度比 700℃, 800℃等温都 快, 稳定后的 Ρ 相的含量也最高, 因此 750℃Ρ 化处理 是较好的。而由图 2b 可看出, 试样经选取 750℃×38h Ρ 化处理后, 反应产物也比较细小, 所以测定冲击韧性 的试样都采取了 750℃×38h 的 Ρ 化处理。
p act toughness of C r25N i5M o 115 increa ses g rea t ly and the m o rp ho logy of the f ractu re su rface of the im p act sam p le a t 50 ℃ changes from la rge cleavage to fine d im p les1 Key words: dup lex sta in less steel; g ra in refin ing; ∆ ferrite; Ρ t rea tm en t
决定 ∆ Χ双相不锈钢的优良性能的主要因素是 其优良的微观组织结构。经正常热加工的 ∆ Χ双相不 锈钢的显微组织是细微的铁素体和奥氏体的均匀混
合 组 织, 即 所 谓 微 观 双 相 结 构 (m icrodup lex structu re)。但是, 若热加工工艺不当, 则会发生晶粒 粗大。∆ Χ双相不锈钢中的粗大的 ∆铁素体晶粒, 不仅 会降低材料的屈服强度和韧性, 还会给超声波探伤造 成极大的困难, 使产品的质量难以检验和控制。因此, 寻求适当的方法细化 ∆ Χ双相不锈钢中的 ∆铁素体晶 粒, 具有重要的意义。 在细化晶粒方面, 前人已做了大量的工作, 概括 起来主要有三大途径: 合金化; 形变再结晶; 热处理。 对于已经加工成形的 ∆ Χ型双相不锈钢零部件, 由于
摘要: 为了消除粗大 ∆铁素体的有害作用, 研究了用热处理细化 C r25N i5M o 115双相不锈钢 ∆铁素体的方法。热处理所 用的反应为 Ρ 化反应 ∆→Χ+ Ρ 和反 Ρ 化反应 Χ+ Ρ→∆。 经过 750℃×38h 的 Ρ 化处理, ∆铁素体转变为细小的 Χ相和 Ρ 相的混合组织, 通过快速加热的反 Ρ 化处理, 获得了非常细小的铁素体。铁素体细化后的 C r25N i5M o115双相不锈钢冲 击韧性大幅度提高, 且 50℃时的冲击断口形貌由大面积的解理变为细小的韧窝。 关键词: 双相不锈钢; 晶粒细化; ∆铁素体; Ρ 化 中图分类号: T G142 文献标识码: A 文章编号: 100124381 (2002) 0520030204
J IAN G Zhong2liang1, W u Yan1, CH EN X iu2yun1, BA I Fei2m ing1, L IU X iu2y ing1, HU AN G T ie2guang2
(1Schoo l of M a teria l Science and Eng ineering, T singhua U n iversity, B eijing 100084, Ch ina; 2 Guangzhou H eavy M ach inery W o rk s, Guangzhou 510000, Ch ina)
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材料工程 2002 年 5 期
热处理细化 ∆ Χ双相不锈钢晶粒的研究
G ra in R efinem en t o f ∆ ΧD up lex Sta in le ss Stee l by H ea t T rea tm en t
姜忠良1, 吴 严1, 陈秀云1, 白飞明1, 刘秀赢1, 黄铁光2 (1 清华大学材料科学与工程研究院, 北京 100084 ; 2 广州重型机器厂, 广州 510000)
合金成分已定, 且又不能再进行变形加工, 因而利用 热处理进行晶粒细化则是唯一可行的方法。尽管采用 热处理对钢铁零件进行晶粒细化已被广泛应用, 但有 关用热处理方法对 ∆ Χ型双相不锈钢进行 ∆铁素体晶 粒细化的文章尚未见报道。 在本工作中, 研究了 ∆ Χ双相不锈钢在 Ρ 化和反 Ρ 化过程中的相变及显微组织的变化规律, 探索了利 用 Ρ 化和反 Ρ 化反应来细化 ∆ Χ双相不锈钢的 ∆铁素 体晶粒的可能性和方法, 并测定了晶粒细化对冲击韧 性的影响。
S N i Cr M o N Fe
含量 0112 0164 0197 01031 01011 515 2518 117 0108 余量
113 冲击试样的 Ρ 化与反 Ρ 化处理 对标准 Ca rp y V 型缺口试样进行 Ρ 化与反 Ρ 化处 理。Ρ 化处理的工艺为 750℃×38h。反 Ρ 化处理的目 的是通过 Χ+ Ρ→∆ 相变重新获得 ∆ 铁素体并使之细 化。 反 Ρ 化处理是在 G leeb le1500 型热模拟机上进行 的, 工艺参数的选择为: 加热温度 1200℃, 加热速度 13～ 20℃ s, 保温时间 1～ 2m in 然后水淬。用金相显 微镜观察不同工艺反 Ρ 化处理后试样的微观组织。 114 冲击试验 测定晶粒细化前后 Ca rp y V 型缺口试样的冲击 韧性, 试验温度为- 25℃, 0℃, 25℃, 50℃, 95℃。 用扫描电镜观察冲击断口的微观形貌。
2 结果与讨论
图 2 C r25N i5M o 1. 5Ρ 化处理显微组织 (100×) F ig12 M icro structu re of C r25N i5M o1. 5 sam p le after Ρ treatm en t (100×)
(a) treated at 700℃×38h; (b) treated at 750℃×38h; (c) treated at 800℃×50h;
表 1 Cr25N i5M o115双相不锈钢的化学成分 (质量分数 % ) T ab le 1 T he chem ica l com poFra Baidu biblioteksition s of C r25N i5M o 115 dup lex sta in less steel (m a ss fraction % )
元素 C M n Si P
Ρ 相的析出行为决定于 Ρ 相形成元素的聚集和析 出前 C r, M o 在 ∆, Χ中的比率。在 C r25N i5M o 115双相 不锈钢中, C r, M o 在各相中的富集顺序由小到大为 Χ, ∆, Ρ; N i 在各相中的富集顺序正好相反。Ρ 相的析 出受 C r, M o 的扩散行为控制。温度升高, C r, M o 容 易扩散和富集, 因此容易在相界和相内同时生核, 同
表 2 Cr25N i5M o115反 Ρ 化处理结果 T ab le 2 T he resu lts of C r25N i5M o 115 after an ti2Ρ trea tm en t
211 Ρ 化处理前后的显微组织 Ρ 化处理前后的显微组织变化见图 1～ 图 2, 可以 看出, 经 Ρ 化处理后, 铁素体发生了明显的变化。这
图 1 C r25N i5M o115原始态显微组织 (100×) F ig11 M icro structu re of o rig inal sam p le (100×)
铁素体- 奥氏体 (∆ Χ) 型双相不锈钢具有许多突 出的优点。它比奥氏体不锈钢具有更高的强度, 比铁 素体不锈钢具有更高的韧性, 具有优良的抗应力腐 蚀、氢脆、晶间腐蚀及点蚀的性能, 并具有良好的焊 接性能[1—3], 被广泛地应用于制造化工、食品加工、造 纸、 制药和海洋开发的机器设备和仪器仪表[4- 6]。
图 3 不同热处理工艺下 Ρ 相含量的变化 F ig13 T he con ten t of Ρ p hase after d ifferen t heat treatm en ts
213 反 Ρ 化处理的显微组织 冲击试样反 Ρ 化处理的工艺及结果见表 2 。可以 看出, 工艺 1 处理后, ∆2铁素体的晶界呈断续状, 晶 界残缺; 工艺 2, 3 处理后, 都可以细化 ∆2铁素体, 但 工艺 3 处理后还残存有少量的 Ρ 相, 而工艺 2 可以使 Ρ 相基本上消除, 见图 4, 图 5。
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后进行等温, 使其中的 ∆ 铁素体相发生 ∆→Χ+ Ρ 相 变[7- 9], 为反 Ρ 化处理准备良好的前期组织。选定的等 温温度为 600℃, 650℃, 700℃, 750℃, 800℃, 等温 时间为 10～ 110h。对 Ρ 化处理后的样品进行显微组织 观察和 X 射线衍射分析, 以确定最佳的 Ρ 化处理工艺 和 Ρ 相的变化量。进行显微组织观察的试样先经机械 磨光, 再进行电解抛光, 电解抛光液为: 高氯酸钾 25g + 冰乙酸 500g, 电流密度为 012A mm 2, 抛光时间为 90s, 然后, 用氯化铁饱和盐酸溶液侵蚀, 侵蚀后的样 品用金相显微镜进行组织观察。
1 试验
111 试验材料 试验所用的 C r25N i5M o 115双相不锈钢由 315 吨碱 性电炉冶炼, 化学成分见表 1。材料原始态的处理工艺 为 1050℃×2h 水冷+ 300℃×4h 炉冷。 112 小试样的 Ρ 化处理 将 5mm ×5mm ×2mm 的小试样加热到某一温度
热处理细化 ∆ Χ双相不锈钢晶粒的研究
表明, 在铁素体中, 确实发生了预期的 ∆→Χ+ Ρ 相变, 并有可能利用这一相变进行铁素体的细化。
Ρ 相的析出与处理温度有密切的关系。温度高时, Ρ 相会在 ∆ Χ相界和 ∆相内同时生核、 生长; 温度低 时, Ρ 相则偏聚在 ∆ Χ相界生核, 然后向 ∆相内生长, 而且温度越低这种倾向越明显。温度不同, Ρ 相析出的 形态也有差别。 温度高时, Ρ 相容易形成块状或短棒 状。温度低时, Ρ 相较容易形成片层状组织, 而且温度 越低层片越细。
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材料工程 2002 年 5 期
时 Ρ 相也容易聚集长大为块状。温度降低, C r, M o 的 扩散系数减小, 但由于晶界的扩散系数高于晶内的扩 散系数, 而且 ∆ Χ相界面的 C r, M o 比率有利于 Ρ 相 的形成, 因此主要为相界析出, 最后形成较细的片层。 在长时间的等温过程中, Ρ 相会发生粗化并聚集 成块状, 见图 1c。显微观测发现, 温度越高粗化速度 越快, 700℃等温 80h 出现粗化, 750℃等温 60h 后 Ρ 相出现粗化, 而 800℃等温 38h 就出现粗化, 等温 50h Ρ 相已相当粗大。 212 Ρ 化处理中的 Ρ 相含量的变化 Ρ 化处理中的 Ρ 相含量的变化结果见图 3。可以看 出, 在三种处理温度下, Ρ 相开始都增加较快, 并随着 等温时间的延长而增加, 到一定的时间后趋于稳定。 但 750℃等温, Ρ 相的增加速度比 700℃, 800℃等温都 快, 稳定后的 Ρ 相的含量也最高, 因此 750℃Ρ 化处理 是较好的。而由图 2b 可看出, 试样经选取 750℃×38h Ρ 化处理后, 反应产物也比较细小, 所以测定冲击韧性 的试样都采取了 750℃×38h 的 Ρ 化处理。
p act toughness of C r25N i5M o 115 increa ses g rea t ly and the m o rp ho logy of the f ractu re su rface of the im p act sam p le a t 50 ℃ changes from la rge cleavage to fine d im p les1 Key words: dup lex sta in less steel; g ra in refin ing; ∆ ferrite; Ρ t rea tm en t
决定 ∆ Χ双相不锈钢的优良性能的主要因素是 其优良的微观组织结构。经正常热加工的 ∆ Χ双相不 锈钢的显微组织是细微的铁素体和奥氏体的均匀混
合 组 织, 即 所 谓 微 观 双 相 结 构 (m icrodup lex structu re)。但是, 若热加工工艺不当, 则会发生晶粒 粗大。∆ Χ双相不锈钢中的粗大的 ∆铁素体晶粒, 不仅 会降低材料的屈服强度和韧性, 还会给超声波探伤造 成极大的困难, 使产品的质量难以检验和控制。因此, 寻求适当的方法细化 ∆ Χ双相不锈钢中的 ∆铁素体晶 粒, 具有重要的意义。 在细化晶粒方面, 前人已做了大量的工作, 概括 起来主要有三大途径: 合金化; 形变再结晶; 热处理。 对于已经加工成形的 ∆ Χ型双相不锈钢零部件, 由于
摘要: 为了消除粗大 ∆铁素体的有害作用, 研究了用热处理细化 C r25N i5M o 115双相不锈钢 ∆铁素体的方法。热处理所 用的反应为 Ρ 化反应 ∆→Χ+ Ρ 和反 Ρ 化反应 Χ+ Ρ→∆。 经过 750℃×38h 的 Ρ 化处理, ∆铁素体转变为细小的 Χ相和 Ρ 相的混合组织, 通过快速加热的反 Ρ 化处理, 获得了非常细小的铁素体。铁素体细化后的 C r25N i5M o115双相不锈钢冲 击韧性大幅度提高, 且 50℃时的冲击断口形貌由大面积的解理变为细小的韧窝。 关键词: 双相不锈钢; 晶粒细化; ∆铁素体; Ρ 化 中图分类号: T G142 文献标识码: A 文章编号: 100124381 (2002) 0520030204
J IAN G Zhong2liang1, W u Yan1, CH EN X iu2yun1, BA I Fei2m ing1, L IU X iu2y ing1, HU AN G T ie2guang2
(1Schoo l of M a teria l Science and Eng ineering, T singhua U n iversity, B eijing 100084, Ch ina; 2 Guangzhou H eavy M ach inery W o rk s, Guangzhou 510000, Ch ina)
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材料工程 2002 年 5 期
热处理细化 ∆ Χ双相不锈钢晶粒的研究
G ra in R efinem en t o f ∆ ΧD up lex Sta in le ss Stee l by H ea t T rea tm en t
姜忠良1, 吴 严1, 陈秀云1, 白飞明1, 刘秀赢1, 黄铁光2 (1 清华大学材料科学与工程研究院, 北京 100084 ; 2 广州重型机器厂, 广州 510000)
合金成分已定, 且又不能再进行变形加工, 因而利用 热处理进行晶粒细化则是唯一可行的方法。尽管采用 热处理对钢铁零件进行晶粒细化已被广泛应用, 但有 关用热处理方法对 ∆ Χ型双相不锈钢进行 ∆铁素体晶 粒细化的文章尚未见报道。 在本工作中, 研究了 ∆ Χ双相不锈钢在 Ρ 化和反 Ρ 化过程中的相变及显微组织的变化规律, 探索了利 用 Ρ 化和反 Ρ 化反应来细化 ∆ Χ双相不锈钢的 ∆铁素 体晶粒的可能性和方法, 并测定了晶粒细化对冲击韧 性的影响。
S N i Cr M o N Fe
含量 0112 0164 0197 01031 01011 515 2518 117 0108 余量
113 冲击试样的 Ρ 化与反 Ρ 化处理 对标准 Ca rp y V 型缺口试样进行 Ρ 化与反 Ρ 化处 理。Ρ 化处理的工艺为 750℃×38h。反 Ρ 化处理的目 的是通过 Χ+ Ρ→∆ 相变重新获得 ∆ 铁素体并使之细 化。 反 Ρ 化处理是在 G leeb le1500 型热模拟机上进行 的, 工艺参数的选择为: 加热温度 1200℃, 加热速度 13～ 20℃ s, 保温时间 1～ 2m in 然后水淬。用金相显 微镜观察不同工艺反 Ρ 化处理后试样的微观组织。 114 冲击试验 测定晶粒细化前后 Ca rp y V 型缺口试样的冲击 韧性, 试验温度为- 25℃, 0℃, 25℃, 50℃, 95℃。 用扫描电镜观察冲击断口的微观形貌。
2 结果与讨论
图 2 C r25N i5M o 1. 5Ρ 化处理显微组织 (100×) F ig12 M icro structu re of C r25N i5M o1. 5 sam p le after Ρ treatm en t (100×)
(a) treated at 700℃×38h; (b) treated at 750℃×38h; (c) treated at 800℃×50h;
表 1 Cr25N i5M o115双相不锈钢的化学成分 (质量分数 % ) T ab le 1 T he chem ica l com poFra Baidu biblioteksition s of C r25N i5M o 115 dup lex sta in less steel (m a ss fraction % )
元素 C M n Si P
Ρ 相的析出行为决定于 Ρ 相形成元素的聚集和析 出前 C r, M o 在 ∆, Χ中的比率。在 C r25N i5M o 115双相 不锈钢中, C r, M o 在各相中的富集顺序由小到大为 Χ, ∆, Ρ; N i 在各相中的富集顺序正好相反。Ρ 相的析 出受 C r, M o 的扩散行为控制。温度升高, C r, M o 容 易扩散和富集, 因此容易在相界和相内同时生核, 同
表 2 Cr25N i5M o115反 Ρ 化处理结果 T ab le 2 T he resu lts of C r25N i5M o 115 after an ti2Ρ trea tm en t
211 Ρ 化处理前后的显微组织 Ρ 化处理前后的显微组织变化见图 1～ 图 2, 可以 看出, 经 Ρ 化处理后, 铁素体发生了明显的变化。这
图 1 C r25N i5M o115原始态显微组织 (100×) F ig11 M icro structu re of o rig inal sam p le (100×)