稀土钇对奥氏体耐热不锈钢管高温拉伸性能影响及作用机制

 浙江至德钢业有限公司研究了钇对奥氏体耐热不锈钢管21Cr11Ni1.5SiN的高温拉伸性能的影响及相关机制。在750~1200℃,应变速率为0.005s-1条件下进行了含与不含钇试样的热拉伸模拟试验及组织分析。结果表明: 钇通过细化晶粒、强化晶界提高了试验钢在750~850℃的热塑性和抗拉强度;由于钇抑制了动态再结晶和再结晶晶粒长大,使得在850~1050℃二者热塑性相当,而在1050~1200℃,含钇试验钢热塑性显著增加。另外,含钇试验钢经热加工后存有纤维组织;纤维状组织稳定性高,通过加热和动态再结晶也难以消除,而且其周围晶粒组织明显细小。

 奥氏体耐热不锈钢管用途十分广泛,适用于制造锅炉、动力机械、航空、石化等工业中在高温工作的部件。奥氏体耐热不锈钢管中添加微量的稀土,可大幅度减少贵重金属镍的消耗,且可有效地改善钢的高温性能。目前,对于稀土在耐热钢管中应用研究有不少报道且多集中于轻稀土铈族元素,对于重稀土钇在耐热钢中的研究多针对抗高温氧化性,对高温拉伸性能的影响机制研究多是钇的变质作用改善热塑性，关于钇影响显微组织变化进而带来的对高温拉伸性能影响还相对较少。浙江至德钢业有限公司主要通过讨论组织变化,研究了钇元素对奥氏体耐热不锈钢管高温拉伸性能的影响及作用机制。

一、试验材料及方法

 试验用奥氏体耐热不锈钢管经50kg真空感应炉冶炼,抽真空后冲入氮气精炼,加入钇铁后,快速浇注成钢锭,其化学成分如表所示。

 试验材料经开坯锻造后,热轧成13mm厚的钢板,并经1050℃加热保温1小时后,水冷固溶处理,然后沿轧制方向取拉伸试样。热拉伸试验在Gleeble3800热模拟机上进行。采用10mm-120mm的圆柱拉伸试样。先以10℃/s的加热速率加热至1250℃,保温60s,以3℃/s的速率冷却到拉伸温度,保温30s,然后以0.005s-1的应变速率进行拉伸直至断裂,再迅速气冷以保持高温下变形组织。将拉断试样沿轴向从中心剖开,用FeCl3+HCl+H2O显示组织。用ZEISSK400金相显微镜对加热区拉伸前后组织进行观察(未变形区组织可看作变形前组织),具体组织观察位置见图。

二、试验结果与分析

 1. 钇对试验钢高温拉伸性能影响

 试验用奥氏体耐热钢的热塑性曲线如图所示。钇对试验钢热塑性的影响可大致分为3个区域。I区在750~850℃试验温度范围内,2号钢较1号钢的断面收缩率明显高出5%~7%,试验钢塑性均在800℃时达到最小值;II区:随着温度的升高,二者塑性逐渐增加,在850~1050℃时,二者的塑性相当,1号钢在900℃的断面收缩率有较大提高,增加了近12%,而2号钢则只增加了约5%;III区:随着拉伸温度的进一步升高,2号钢热塑性显著提高,断面收缩率由1050℃时的80%增加到1200℃时的最大值90%,1号钢的热塑性则增加缓慢,在1150℃时达到峰值82%,且在该温度范围内的热塑性明显低于2号钢。另外,2种试验钢的高温抗拉强度均随着试验温度的升高而逐渐下降,在750~850℃内,2号钢较1号钢强度有所增加,温度高于900℃时,二者抗拉强度相当。

 2. 机制分析

 合金晶粒得到细化则晶界面积增加,从而使得单位晶界面积上偏聚的杂质原子数量减少,不仅有利于提高钢的热塑性,而且也使其强度有所提高。图为试验钢800℃高温拉伸变形前后的组织形貌,钇元素添加到钢中,细化了试验钢高温拉伸变形前的晶粒,如图所示。这也是本试验在750~850℃范围内(I区),2号钢的强度和塑性均高于1号钢的主要原因。另外,合金高温变形时裂纹多发生在晶界,由于稀土元素可净化晶界,尤其可消除硫偏析带来的有害作用,使热塑性得到改善。在800℃进行高温拉伸后,奥氏体晶粒沿拉伸方向被拉长,在断口附近的奥氏体晶界上存有明显的裂纹和孔洞。1号钢的裂纹和孔洞数量很多,且在离断口较远的晶界上仍然存在;而2号钢则晶界裂纹和空洞都很少,且基本都存在于断口附近，如图所示。这也间接证明钇元素的添加可强化晶界,进而减少裂纹的萌生,且阻止了已形成的微裂纹的扩展,致使这些裂纹不能在晶界上聚集和长大,进而提高钢的热塑性。

 值得一提的是,在2号钢基体内存有明显的纤维状组织,且在纤维状组织附近的晶粒较远离纤维状组织的晶粒明显细化(见图3(b)、(d))。这可能由于试验钢先后经过了锻造、轧制等热加工,使得夹杂物、第二相等化合物沿轧制方向呈流线型分布,而这些化合物阻碍了加热时奥氏体晶界的迁移过程,抑制了奥氏体晶粒长大,从而使其附近晶粒尺寸减小。随着变形温度的升高,试验钢则要发生动态再结晶,消除加工硬化效应,从而使得热塑性显著提高。稀土元素能有效地抑制钢中形变奥氏体的动态再结晶,在850~1050℃热变形时(II区),由于钇元素对再结晶的抑制作用使得2号钢的动态再结晶落后于1号钢,使其塑性增幅较缓慢，因此,在II区2种试验钢塑性相当。在1050~1200℃(III区),1号钢已基本处于完全再结晶区,故塑性增加缓慢，当温度超过1150℃时,其部分再结晶晶粒开始长大,从而使得塑性下降，而2号钢在该阶段则主要完成从部分再结晶到完全再结晶的转变，故而带来塑性的大幅增加,使其塑性明显高于1号钢。另外,2号钢在较高温度(高于1000℃)的高温变形后组织中仍然存在纤维组织,说明其稳定性高,即使通过高温加热和动态再结晶也难以消除。纤维组织的出现有可能使合金呈现各向异性,顺着纤维方向韧性高,而在垂直于纤维的方向上韧性较低。然而,关于纤维状组织的组成与形成机制及其对21Cr11Ni1.5SiN奥氏体耐热钢的各向异性,动态再结晶的发生和再结晶晶粒长大的影响与机制仍需更进一步的研究。

三、结论

 1. 在750~850℃范围内,由于钇的添加细化了变形前晶粒,强化了晶界,进而明显提高了21Cr11Ni1.5SiN奥氏体耐热不锈钢管的抗拉强度和热塑性，在850~1050℃范围内，2种试验钢塑性相当,主要是钇抑制了动态再结晶,使得含钇试验钢的热塑性增加缓慢;在1050~1200℃范围内,含钇试验钢主要完成从部分再结晶到完全再结晶的转变,塑性大幅增加,而不含钇试验钢在此温度区间基本已完全再结晶,塑性变化不大,当温度超过1150℃时,其部分再结晶晶粒开始长大,从而使得塑性下降。

 2. 含钇的21Cr11Ni1.5SiN奥氏体耐热不锈钢管经热加工后存有稳定性高的纤维组织,通过高温加热和动态再结晶也难以消除,纤维组织周围晶粒明显细小。