254SMO奥氏体不锈钢高温析出相及热模拟断口断裂机制分析

论文摘要

254SMO是一种高合金超级奥氏体不锈钢,钢中含有大量的Cr、Ni和Mo以及适量的N和Cu等合金元素,使其具有优异的抗腐蚀性能和综合力学性能。与常规的奥氏体不锈钢304、316和316L相比,254SMO在氯化物环境中的耐蚀性尤为突出,包括耐点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和一般腐蚀的性能,同时在很多还原性酸介质中耐蚀性也优于其它钢种。所以,254SMO更适合在造纸漂泊处理、海水脱盐处理、热交换处理器和化工废气处理等一些超恶劣腐蚀环境中服役。高合金化的254SMO是比较难熔炼的钢种,易出现偏析、开裂等现象。影响254SMO高温热塑性的内在因素主要有脆性相的析出和冶炼中夹杂物的残留,外在因素包括热变形温度区间和应变速率等。本文通过对254SMO超级奥氏体不锈钢的显微组织、高温析出动力学以及热模拟断裂机制进行基础性理论和实验研究,为254SMO的冶炼、热轧生产工艺提供理论指导。本论文主要内容如下：1、铸态及固溶处理组织：铸态、固溶处理（1250℃,0.5h）试样金相、SEM分析表明,铸态组织中有部分析出相,由于数量少多出现于晶界,且氮含量的不锈钢中析出相少于氮含量低不锈钢。经过固溶处理后组织为单一的奥氏体组织。2、析出相及析出规律：镍、氮含量的增加可提高254SMO不锈钢奥氏体热稳定性,并抑制析出相的析出；1#和2#试样时效处理（温度：950、1000、1050、1100、1150、1200℃,时间：1、3、5h）后金相、SEM、EDS和XRD分析表明,1#试样析出相析出量最多的温度段950℃～1100℃,而2#试样析出相析出量最多的温度段950℃～1050℃,析出相为6相,且随着时效时间的延长析出相的数量增加,由先析出于晶界逐步扩展到晶内。3、热模拟及断口断裂机制：现有热拉伸变形条件下,在1200℃～1250℃时热塑性较好。拉伸断口处SEM和横截面金相组织分析表明,800℃～950℃拉伸时,随着析出相沿晶界的不断析出导致晶界脆化,断裂方式由穿晶向沿晶断裂转变,热塑性指标断面收缩率（Z%）逐渐降低。950℃～1150℃时,处在析出相析出量较多的温度区间,断裂方式为典型的沿晶断裂,断面收缩率在1050℃达到最低值3.96%,该温度下断裂由析出相和夹杂物的共同作用导致沿晶脆性断裂。1150℃～1250℃时,随着析出相析出量的减少和动态再结晶的发生,沿晶断裂现象逐渐消失,断面收缩率开始大幅回升,到1250℃时可达到53.76%。1200℃为发生动态再结晶的最佳温度,该温度下造成断裂的根本原因是夹杂物所致。1200℃～1250℃可作为该钢的热轧温度区间。4、合金元素Mo对不锈钢组织稳定性的影响：Mo固溶于α-Fe和γ-Fe中形成的固溶体,随着Mo含量的增加,体系的稳定性逐渐增强,Mo更容易在α-Fe中稳定存在；Mo容易在铁素体或奥氏体不锈钢的某些界面上偏聚。计算结果解释了实验中Mo为铁素体形成元素以及易于在晶界上富集形成析出相这一现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 奥氏体不锈钢的概述
• 1.1.1 奥氏体不锈钢简介
• 1.1.2 254SMO超级奥氏体不锈钢简介
• 1.2 奥氏体不锈钢的组织结构特点
• 1.2.1 奥氏体不锈钢的组织特点
• 1.2.2 合金元素的作用
• 1.2.3 碳化物和氮化物
• 1.2.4 金属间化合物
• 1.2.5 奥氏体不锈钢高温析出动力学
• 1.3 影响奥氏体不锈钢高温热塑性的因素
• 1.3.1 不锈钢高温力学性能研究
• 1.3.2 不锈钢动态回复与动态再结晶
• 1.3.3 材料的断裂机理
• 1.3.4 析出相对不锈钢热塑性的影响
• 1.3.5 不锈钢中夹杂物的有害作用
• 1.4 微观结构与性能关系的电子理论研究
• 1.5 课题的提出及意义
• 第二章 实验工艺及研究方法
• 2.1 热处理工艺规范
• 2.1.1 化学成分
• 2.1.2 固溶处理
• 2.1.3 时效处理
• 2.2 高温热模拟实验工艺
• 2.2.1 拉伸试样制备
• 2.2.2 热模拟拉伸实验
• 2.4 实验分析仪器及方法
• 2.5 原子层次的模拟计算
• 2.5.1 计算方法
• 2.5.2 参数设置
• 第三章 254SMO高温析出相析出规律分析
• 3.1 铸态试样分析
• 3.2 固溶处理后组织形貌
• 3.3 时效处理后金相组织
• 3.4 析出相的形态及成分分析
• 3.5 微硬度分析
• 3.6 析出相结构分析
• 3.7 小结
• 第四章 254SMO不锈钢热模拟断裂原因分析
• 4.1 热模拟曲线
• 4.2 断口SEM微观形貌与截面金相组织
• 4.2.1 800℃断口
• 4.2.2 950℃断口
• 4.2.3 1050℃断口
• 4.2.4 1150℃断口
• 4.2.5 1250℃断口
• 4.2.6 1150 、1200、1250℃断口截面组织对比
• 4.4 影响高温热塑性的因素
• 4.4.1 析出相的影响
• 4.4.2 夹杂的影响
• 4.5 小结
• 第五章 Mo对不锈钢组织稳定性的理论分析
• 5.1 计算结构模型
• 5.2 计算结果
• 5.2.1 Mo对γ-Fe、α-Fe相的稳定性
• 5.2.2 Mo对铁素体、奥氏体不锈钢相界面的稳定性
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文