新型SP2215奧氏體耐熱鋼的室溫變形行為

宋 利

(中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗研究院，鄭州 450000)

0 引 言

SP2215鋼是北京科技大學(xué)最新研制的復(fù)合強化22/15鉻鎳型高強抗蝕奧氏體耐熱鋼；該鋼通過合理配比碳、氮、鈮、銅等多種強化元素實現(xiàn)納米級Nb(C、N)型MX相、NbCrN相和富銅相的時效析出，從而達到多相復(fù)合強化效果。SP2215鋼加工性能良好，與HR3C鋼相比，其鉻、鎳含量稍低，這一方面提高了經(jīng)濟效益，另一方面克服了HR3C鋼在高溫長時間時效后韌性降低的缺點，預(yù)計未來在電力行業(yè)將得到廣泛應(yīng)用[1-5]。

在用作電力行業(yè)鍋爐的受熱面管時，奧氏體耐熱鋼管要經(jīng)歷彎曲、拉拔、擴口等冷加工過程，產(chǎn)生的冷加工變形將會導(dǎo)致組織和性能發(fā)生改變。例如：TP347H、TP304和316L等奧氏體耐熱鋼在冷變形后因形成形變誘導(dǎo)馬氏體而出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，這一方面可能導(dǎo)致管子在冷加工后出現(xiàn)裂紋，另一方面形成的形變誘導(dǎo)馬氏體使管子產(chǎn)生磁性，對管內(nèi)氧化皮的檢測產(chǎn)生不利影響[6-7]。SP2215鋼目前尚處于推廣應(yīng)用階段，相關(guān)研究集中在力學(xué)性能、焊接性能、高溫持久性能和組織穩(wěn)定性等方面，對于其冷變形行為的研究報道較少；而研究其在冷加工變形后的組織和性能變化，可以為冷軋鋼管的制備和冷加工提供基本數(shù)據(jù)，有利于其使用及推廣。為此，作者對SP2215鋼的成品鋼管分別在室溫下進行了拉伸、壓縮和彎曲試驗，分析了其變形行為。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為由永興特種材料科技股份有限公司冶煉、江蘇武進不銹股份有限公司制管的SP2215鋼管，鋼管爐號為1504-040，批號為BDG1508-118，規(guī)格為φ50.8 mm×9.53 mm，適用標(biāo)準(zhǔn)為T/CISA 006-2019《電站鍋爐用新型奧氏體耐熱鋼無縫鋼管》。使用ARL iSpark8860型直讀光譜儀測定其化學(xué)成分，如表1所示，化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在鋼管上取樣，經(jīng)磨拋，用FeCl3鹽酸水溶液腐蝕后，使用Axio Obersver 3m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖1可見，SP2215鋼管組織為典型奧氏體組織，平直的孿晶界清晰可見，晶內(nèi)有第二相析出。

表1 SP2215鋼管的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of SP2215 steel pipe %

圖1 SP2215鋼管的顯微組織Fig.1 Microstructure of SP2215 steel pipe

分別按照GB/T 7314-2005，GB/T 232-2010，GB/T 228.1-2010，在鋼管上沿軸向線切割出壓縮、彎曲和拉伸試樣。壓縮試樣為圓柱形，直徑為9.6 mm，高度為9.6 mm；彎曲試樣為全壁厚試樣，長度為200 mm，寬度為22 mm；拉伸試樣尺寸見圖2，也是全壁厚試樣，平行段長度為80 mm，寬度為15 mm。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimension of tensile specimen

使用UTM5305HA型電子萬能試驗機在室溫下分別進行壓縮、拉伸和彎曲變形試驗。壓縮變形量分別為10%，20%，30%，40%，50%，下壓速度為1 mm·min-1；拉伸變形量分別為10%，20%，30%，40%，拉伸速度為1 mm·min-1；彎曲試驗時的彎曲角度分別為20°，40°，60°，80°，100°，120°，140°，160°，180°，彎曲速率為10 (°)·min-1。以上3種試驗的最大變形量均接近于材料在對應(yīng)試驗條件下發(fā)生破壞的最大變形量。沿變形方向從中間將變形后的試樣剖開，在剖面上取樣進行組織和性能檢測。使用Rigaku Smart LAB 3型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，采用鎢靶，X射線光源，在3°～20°角度范圍掃查。金相試樣經(jīng)磨拋，用FeCl3鹽酸水溶液腐蝕后，在Axio Obersver 3m型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。采用HV-1000A型顯微硬度計進行硬度測試，載荷為9.8 N，保載時間為10 s，在變形最大處取點測試，測10個點取最大值。

使用UTM5305HA型電子萬能試驗機對拉伸變形10%～40%的試樣再次進行拉伸試驗以測定其強度指標(biāo)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 室溫變形后的物相組成

由圖3可以看出，在3種變形方式下達到最大變形量時SP2215鋼的XRD譜中均只出現(xiàn)了γ-Fe的衍射峰，未出現(xiàn)α-Fe的衍射峰，表明SP2215鋼在室溫變形過程中不會產(chǎn)生形變誘導(dǎo)馬氏體。由奧氏體鋼相變臨界點經(jīng)驗公式[8]計算得到SP2215奧氏體耐熱鋼的馬氏體相變臨界點溫度為-347.502 ℃，可見室溫下變形達不到馬氏體相變的熱力學(xué)條件[9]。但是，在室溫變形過程中有可能會發(fā)生形變誘導(dǎo)馬氏體相變[10]，其影響因素包括恰當(dāng)?shù)淖冃瘟?、低的層錯能以及鎳當(dāng)量處于誘發(fā)馬氏體相變的范圍。

圖3 室溫下不同條件變形后SP2215鋼的XRD譜Fig.3 XRD patterns of SP2215 steel after deformation under different conditions at room temperature: (a) 50% compression deformation; (b) 40% tensile deformation and (c) 180° bending angle

SP2215奧氏體耐熱鋼的室溫層錯能和鎳當(dāng)量計算公式[11]分別為

γ=-53+6.2w(Ni)+0.7w(Cr)+

3.2w(Mn)+9.3w(Mo)

(1)

weq(Ni)=w(Ni)+0.65w(Cr)+0.98w(Mo)+

1.05w(Mn)+0.35w(Si)+12.60w(C)+

(2)

式中:γ為室溫奧氏體層錯能，MJ·m-2；w為質(zhì)量分數(shù)，%；T為熱力學(xué)溫度，K；R為變形量，%。

由式(1)和式(2)計算得到SP2215奧氏體耐熱鋼的室溫層錯能為61.47 MJ·m-2，達到試驗設(shè)置的最大變形量時鎳當(dāng)量為28.01%?？梢娫撲撌覝貙渝e能較高，組織穩(wěn)定性好[12]，能抑制馬氏體相變[13]；鎳當(dāng)量也高于室溫誘發(fā)馬氏體相變的范圍(20.5%～25.5%)[12-14]。綜上可知，SP2215鋼的奧氏體組織穩(wěn)定性高，室溫變形不會形成形變誘導(dǎo)馬氏體。

2.2 室溫變形后的顯微組織

由圖4可以看出：室溫下經(jīng)20%變形量壓縮變形后，SP2215鋼的顯微組織與未變形顯微組織(見圖1)相同，為典型奧氏體組織，孿晶界平直，晶內(nèi)有第二相析出；當(dāng)變形量增至30%時，少量晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶，呈現(xiàn)直線形的單滑移和波浪形的多滑移特征；當(dāng)變形量增加至40%時，晶粒拉長，大部分晶粒出現(xiàn)滑移現(xiàn)象；當(dāng)變形量達到50%時，晶粒拉長變形嚴重，幾乎所有晶粒都出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

圖4 室溫下不同變形量壓縮后SP2215鋼的顯微組織Fig.4 Microstructures of SP2215 steel after compression with different deformations at room temperature

由圖5可以看出：室溫下經(jīng)10%變形量拉伸變形后，SP2215鋼的顯微組織相比于未變形組織變化不明顯；當(dāng)變形量增至20%時，極少量晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶，呈直線形的單滑移形貌；當(dāng)變形量達到30%，40%時，大部分晶粒都出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，并以交滑移為主。

圖5 室溫下不同變形量拉伸后SP2215鋼的顯微組織Fig.5 Microstructures of SP2215 steel after tension with different deformations at room temperature

由圖6可以看出：室溫下經(jīng)20°彎曲變形后，SP2215鋼的顯微組織相比于未變形組織變化不大；當(dāng)彎曲角度達到40°時，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶，呈現(xiàn)直線形的單滑移和波浪形的多滑移特征；當(dāng)彎曲角度達到100°～180°時，SP2215鋼的塑性變形以多滑移和交滑移為主。

圖6 室溫下不同角度彎曲變形后SP2215鋼的顯微組織Fig.6 Microstructures of SP2215 steel after bending deformation with different angles at room temperature

綜上：SP2215鋼在室溫變形過程中主要發(fā)生位錯滑移。當(dāng)變形量較小時，位錯滑移以單滑移為主，個別晶粒內(nèi)部發(fā)生變形，滑移由晶界向晶粒內(nèi)部延伸；在變形量較大時，參與變形的晶粒數(shù)量急劇增多，滑移貫穿整個晶粒，出現(xiàn)相交的滑移線，交滑移也逐漸貫穿整個晶粒，滑移線穿過相鄰晶粒。因此，可以通過位錯-位錯、位錯-層錯等之間的交互作用阻礙位錯滑移，從而提高SP2215鋼的強度。

2.3 室溫變形后的顯微硬度

由圖7可知：SP2215鋼的顯微硬度隨著變形量的增加先快速增大，在壓縮和拉伸變形量達到20%或彎曲角度達到60°時到達拐點，顯微硬度隨變形量增大的速度變緩。SP2215鋼顯微硬度隨變形量的變化規(guī)律與王俊北[7]研究得到的316LN奧氏體不銹鋼的變形規(guī)律一致。拐點的出現(xiàn)與室溫下變形達到某一量后位錯密度的下降有關(guān)[15]。較大變形量下鋼中發(fā)生交滑移，導(dǎo)致加工硬化效果變?nèi)?，硬度增加變緩[7]。在相同變形量下，壓縮變形后SP2215鋼的硬度明顯高于拉伸變形后。

圖7 室溫下不同條件變形后SP2215鋼的顯微硬度Fig.7 Microhardness of SP2215 steel after deformation under different conditions at room temperature: (a) compression and tension deformation and (b) bending deformation

2.4 不同變形量拉伸變形后的拉伸性能

由圖8可以看出：SP2215鋼的抗拉強度和屈服強度均隨著變形量的增加而增大，當(dāng)變形量達到30%時，屈服強度與抗拉強度幾乎相等；斷后伸長率隨著變形量的增大逐漸減小。SP2215鋼經(jīng)室溫拉伸變形后的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率隨變形量的變化規(guī)律與304奧氏體不銹鋼[6]和316LN奧氏體不銹鋼[7]相似。

圖8 未變形和不同變形量室溫拉伸后SP2215鋼試樣的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of SP2215 steel samples unstretched and stretched with different deformations at room temperature: (a) relationship between strength and deformation and (b) relationship between elongation after fracture and deformation

材料開始屈服后，繼續(xù)變形將產(chǎn)生加工硬化；加工硬化程度可由加工硬化指數(shù)進行表征，其計算公式[16-17]為

(3)

式中：n為加工硬化指數(shù)；K為強度系數(shù)，取0.12；σy為屈服強度，MPa。

將K和不同變形量拉伸變形SP2215鋼的屈服強度代入式(3)，計算得到不同變形量下的加工硬化指數(shù)，繪制變形量和加工硬化指數(shù)的關(guān)系曲線。由圖9可知，隨著變形量的增加，SP2215鋼的加工硬化指數(shù)增大，說明加工硬化程度增強[18]。這應(yīng)是由于位錯塞積對位錯運動的阻礙作用增強而導(dǎo)致的。綜上，隨著變形量的增大，SP2215鋼的加工硬化加劇，因此斷后伸長率下降，屈服強度急劇升高。形變硬化是提高材料強度的重要方法，未變形SP2215奧氏體耐熱鋼的屈服強度不高，通過室溫變形可以實現(xiàn)屈服強度的成倍提升。

圖9 SP2215鋼拉伸變形量與加工硬化指數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between tensile deformation and work hardening index of SP2215 steel

3 結(jié) 論

(1) SP2215奧氏體耐熱鋼的奧氏體組織穩(wěn)定性高，在室溫變形過程中無形變誘導(dǎo)馬氏體產(chǎn)生；不同變形量變形后，晶粒中出現(xiàn)滑移帶，并且隨著變形量的增加，滑移帶出現(xiàn)多種形態(tài)并且數(shù)量變多，說明SP2215奧氏體耐熱鋼中位錯滑移始終參與變形。

(2) 隨著變形量的增加，SP2215鋼的顯微硬度先快速增大后增速變緩，抗拉強度和屈服強度增大，斷后伸長率減小；當(dāng)拉伸變形量達到30%時，屈服強度增大至與抗拉強度幾乎相等。

(3) 變形SP2215鋼的加工硬化指數(shù)隨變形量的增加而增大，這導(dǎo)致強度的增加和斷后伸長率的減??；室溫變形可以提高其抗拉強度，成倍提高其屈服強度。