如何提高310S不锈钢耐高温强度性能

 浙江至德钢业有限公司本次研究基于在310S不锈钢修改钢中添加铌元素来提高其高温强度的思路，设计并制备了系列不同铌含量的奥氏体耐高温不锈钢，系统研究了铌元素对奥氏体耐高温不锈钢室温与高温力学性能、以及高温塑性变形性能的影响，并对其机制进行了分析讨论，主要结论如下：

  1. 使用Thermo-Calc软件计算了Fe -24Cr-19Ni-1.5Mn-0.5Si-0.06C-0.05N -xNb系伪二元相图，根据铌元素在合金中的不同存在状态，设计了5种不同铌含量的奥氏体耐热钢并使用真空感应熔炼方法制备了相应的材料。通过对材料锻造后显微组织的观察表征发现，1#（0% Nb）、2#（0.032% Nb）和3#（0.12% Nb）合金锻后组织没有析出相，4#（0.32% Nb）和5#（0.52% Nb）合金中有Nb(C,N)析出，且铌含量越高，Nb(C,N)析出越多。实验结果与热力学计算预测相吻合。

  2. 经1100℃1小时固溶处理并水冷后，随着铌含量的增加，新型奥氏体耐热钢的室温抗拉强度变化不大，但是延伸率和断面收缩率明显降低。室温冲击功随铌含量增加先增大后减小，在铌含量为0.036%时，合金的冲击功达到最大值为134J。材料在700℃的高温抗拉强度随铌含量的增加逐渐增加，含0.54%铌的5#试样的抗拉强度为~384MPa；材料在800℃的高温抗拉强度随铌含量的增加先增加后降低，含0.32% 铌的4#合金高温抗拉强度最大，~240MPa。这是由于铌含量小于0.32%，铌元素的固溶强化提高材料的高温抗拉强度，且铌含量越高，高温抗拉强度提高越明显。当铌含量大于0.32%时，Nb(C,N)相析出进一步提高了材料的高温抗拉强度。但是晶界析出的大块的Nb(C,N)是晶界开裂源，使材料800℃高温抗拉强度降低。

  3. 使用Gleeble3800热模拟实验机对不同铌含量的奥氏体耐热钢在900~1200℃温度范围内，0.001~10s-1应变速率条件下进行压缩变形。发现温度的升高或应变速率的降低都有助于促进动态再结晶。材料变形条件达到完全再结晶临界值后，降低应变速率和升高温度都会使完全再结晶晶粒粗化。通过对4#合金应力-应变曲线进行分析发现，流变应力随变形温度的降低和应变速率的提高而增大。利用Sellars双曲正弦模型，确定了热变形激活能Q为481.971kJ /mol。采用Laasraoui和Jonas两段式模型建立了4#合金的高温应力-应变方程，使用高温应力-应变方程拟合曲线与实测结果进行对比发现实测值与模拟值吻合良好，说明所建立的高温应力-应变模型比较准确。

  4. 基于动态材料模型和流变室温判据，绘制了4#合金的热加工图。选择应变量为0.6的热加工图作为热加工参数依据。其最佳工艺参数范围为变形温度1120~1200℃，应变速率为0.003-0.5 s-1之间的区域，可选加工工艺参数在温度为1030~1200℃，应变速率为0.001-0.5 s-1之间区域。失稳区主要在低温高应变速率的部分。

  5. 对比不同铌含量合金的特征应力发现，固溶铌拖曳作用对流变应力的提升比Nb(C,N)析出相大。对不同铌含量的热变形激活能比较发现材料的热变形激活能随铌含量增加而增加。固溶形态的铌比析出的Nb(C,N)对动态热变形激活能的提高强。同时相同变形条件下，合金峰值应力，稳态应力和饱和应力随铌含量增加而增加。对比不同铌含量合金的变形组织发现固溶态的铌和析出状态的Nb(C,N)都能抑制动态再结晶。分析不同铌含量合金0.6应变量的热加工图，最佳工艺参数区域的对应的变形速率区间随铌含量的升高而降低，而对应的变形温度区间在1100~1200℃，不随铌含量变化而变化。

 1000ºC 时，2# 合金在不同应变速率下的变形组织如图所示。可以看出，当应变速率为10s-1时，2#合金没有发生动态再结晶，高应变速率下的供给材料显微组织改变所需的能量较少，材料内部的能量难以使材料发生动态再结晶；当应变速率为1 s-1时，变形组织中在原始晶界周围产生了一些新的奥氏体晶粒；当应变速率减慢到0.1 s-1时，变形组织以新形成奥氏体为主但是依然有少量被拉长的奥氏体晶粒；当变形速率小于0.01 s-1时，2#合金发生完全动态再结晶，随着变形速率的减小，其再结晶晶粒尺寸不断增大。动态再结晶是形核长大的过程，当变形速率较低时，材料中的畸变能较低，导致再结晶形核率降低，但是低应变速率下材料的有足够的能量用于再结晶晶粒长大。因此，在较长变形时间内，再结晶晶粒的长大很充分，从而出现再结晶晶粒长大的现象。图所示为4#合金在不同应变量下的热加工图。等值线图中数字表示能量耗散率 ，斜线区域表示非稳地区域。从图中可以看出，应变量对其热加工图形状的影响较大，当应变量为0.8时，由于模拟实验机的真空度有限，材料在高温下氧化开裂，导致热加工图不符合逻辑。在变形量较小时，材料不发生开裂，对加工图没有影响。因此，在应变量为0.3、0.4、0.5和0.6时，材料的热加工图基本相似。但应变量小于0.2时，材料没发生动态再结晶，因此选择应变量为0.6的热加工图作为制定变形工艺的主要参考依据。如果310S不锈钢在失稳区对应的加工工艺参数下进行塑性变形，可能会对其微观组织造成不利影响，所以应该尽量避免。从应变为0.6的热加工图可知，其最佳工艺参数范围为变形温度1120~1200℃，应变速率为0.003-0.5 s-1之间的区域，可选加工工艺参数在温度为1030~1200℃，应变速率为0.001-0.5之间区域。失稳区主要在低温高应变速率的部分。