奥氏体304和316不锈钢哪个好

N对316L不锈钢微观组织、力学性能和耐点蚀性能的影响淮凯文余式昌胡锦程(宝钢研究院不锈钢研究所,上海201900)摘要本文通过金相显微镜、XRD、拉伸试验机、高低温冲击试验机等,并结合Therma-calc计算研究了N对316L奥氏体不锈钢微观组织、析出相、力学性能和耐点蚀性能的影响.
结果表明:N合金化能够抑制316L中σ相和Chi相的析出,增加Cr2N的析出倾向,对奥氏体晶粒细化不明显;N的添加能够提高316L的室温强度和-100℃以上温度的夏比冲击功,降低了-100℃以下的夏比冲击功,但对室温拉伸塑性影响不明显.
此外,N能够改善316L的耐点蚀能力.
关键词奥氏体不锈钢316L氮合金化微观组织力学性能耐点蚀能力EffectofNitrogenAdditionontheMicrostructure,MechanicalPropertiesandPitting-resistancePropertyof316LHuaiKaiwenYuShichangHuJincheng(InstituteforStainlessSteel,TechnologyCenterofBaosteel,Shanghai,201900)AbstractTheeffectofNadditiononthemicrostructure,precipitate,mechanicalpropertiesandpitting-resistancepropertyofausteniticstainlesssteel316Lwereinvestigatedinthispaper.
TheresultsshowthattheNadditioncaninhibittheseparationofσphaseandChiphaseandincreasethetendencyofCr2Nprecipitate.
TheroomtemperaturestressandCharpy-typeballisticworkabove-100℃of316LcanbeimprovedbyNaddition.
However,theCharpy-typeballisticworkbelow-100℃of316Lwereweaken.
Inaddition,thetensileductilityofN-alloyed316Lissimilarwiththe316LwithoutNaddition.
Keywordsausteniticstainlesssteel316L,nitrogenalloying,microstructure,mechanicalproperties,pitting-resistanceproperty随着AOD(氩氧脱碳)法和VOD(真空氧脱碳)法的普遍采用,含钛或铌稳定化奥氏体不锈钢被超低碳不锈钢(如304L、316L和317L)所取代.
碳含量的降低虽然提高了合金的耐晶间腐蚀能力,但是其强度分别低于304、316和317,强度不足成为限制此类钢使用的主要问题.
近些年来,氮日益成为镍铬奥氏体不锈钢的重要合金元素,通过氮的合金化可以大幅度提高强度,而不损害塑性和韧性,从而可开发出高强高韧钢.
利用氮对不锈钢进行微合金化越来越引起人们的重视[1~3].
因此本文研究了氮的添加对奥氏体不锈钢316L微观组织、力学性能和耐点蚀性能的影响.
1实验材料与方法本实验所用材料是经过真空感应炉熔炼后,经锻造、轧制成6mm厚和12mm厚的热轧板各两块,热轧温度为1200~1010℃,然后水冷至750℃,在此温度保温30min,炉冷.
所有试样均经过1080℃固溶处理,其中6mm厚热轧板保温6min,12mm厚热轧板保温12min.
表1为试验材料的化学成分.
淮凯文,男,1975年出生,博士,电话:021-26034617,E-mail:huaikaiwen@baosteel.
comN对316L不锈钢微观组织、力学性能和耐点蚀性能的影响拉伸试验采用GB/T228—2002试验标准,试样规格为12.
5mm*6mm板状拉伸样,冲击韧性试验试样尺寸为55mm*10mm*10mm,缺口为标准的夏比V形缺口.
采用铁素体仪测量了铁素体百分含量.
金相样品经过HNO3︰H2O=1︰1溶液电解后,通过金相显微镜来观察组织.
表1不同氮含量的316L熔炼成分(wt%)Tab.
1Compositionofvariousnitrogen-added316L(wt%)合金CSiMnPSCrNiNMo316L-10.
0140.
31.
410.
0080.
00617.
7611.
070.
0442.
58316L-20.
0130.
321.
450.
0070.
00717.
8111.
030.
0922.
48316L-30.
0190.
31.
490.
0070.
00717.
7511.
020.
1552.
49316L-40.
0120.
321.
360.
0070.
00717.
5210.
960.
202.
492试验结果与分析2.
1高温相比例和析出相的Therma-calc计算通过Therma-calc计算了N添加对316L高温相比例和析出相的影响,分别示于图1和图2.
图1a中1代表γ奥氏体,2代表δ铁素体,3代表液相;图1b中1代表γ奥氏体,3代表δ铁素体相,4代表液相.
可以看出,N的添加没有改变316L的液相线温度,但明显改变了316L的高温δ铁素体相和γ奥氏体相比例和单相温度区间.
如316L(含0.
044%N)的单相区间在1220℃以下,而0.
155%的氮将316L的单相区间提高到1320℃,这主要是因为氮是奥氏体形成元素,扩大了单相奥氏体区间.

图1含有(a)0.
044%N和(b)0.
155%N的316L高温组织相比例Fig.
1Ratioofhightemperaturephaseof316Lwith(a)0.
044%Nand(b)0.
155%N图2a中4代表σ相,5代表Chi相,6代表M23C6相,7代表Cr2N相;图2b中2代表Cr2N相,5代表M23C6相,6代表Chi相,7代表σ相.
可以看出,N的加入降低了σ相的析出温度和析出量,即明显抑制了σ相的析出.
GavriljukV.
G等[4]研究表明:不锈钢中Cr含量大于15%就有σ相形成,通过N合金化可以将σ相的形成转移至较高Cr含量范围,并延迟析出,这和计算结果一致.
N的加入使316L中Chi相的析出温度从880℃降低到855℃,对析出量也有适当降低;N的加入对M23C6相没有任何影响.
此外N的大量加入明显增加了Cr2N相的析出倾向.
由于氮的添加增加了Cr2N相的析出倾向,因此对含有0.
20%N的未经固溶处理的热轧态316L-4进行了XRD研究,如图3所示,图中除了奥氏体相,并没有其他相,这说明N的加入并没有形成大量的Cr2N相.
2007中国钢铁年会论文集图2含有(a)0.
044%N和(b)0.
155%N的316L中析出相Fig.
2Hightemperatureprecipitatephaseof316Lwith(a)0.
044%Nand(b)0.
155%N图3奥氏体不锈钢316L-4的XRD衍射图Fig.
3XRDpatternsof316L-42.
2微观组织图4中给出了不同氮含量添加的固溶态316L金相组织,从中可以看出,含0.
044%~0.
20%氮的316L在1080℃固溶水冷后的组织都为单一奥氏体组织,氮的添加对组织并没有影响.
有报道氮的添加能够细化奥氏体晶粒,但图中几种含氮奥氏体不锈钢316L组织细化并不明显,这可能是由于氮的添加量仍较少.
图4不同N含量添加的(a)316L-1、(b)316L-2和(c)316L-3Fig.
4VariousNitrogen-added(a)316L-1,(b)316L-2and(c)316L-3N对316L不锈钢微观组织、力学性能和耐点蚀性能的影响表2给出了氮含量对316L中铁素体含量的影响,可以看出,作为奥氏体形成元素,它能够增加镍当量,降低了铁素体的含量,而当添加一定量后,就会完全消除掉δ铁素体,使316L具有低磁性或无磁性特征.
表2氮对316L中铁素体含量的影响Tab.
2Effectofnitrogenonthecontentofferrite试样编号316L-1316L-2316L-3316L-4铁素体(F)体积/%1.
70.
7002.
3拉伸性能图5给出了不同氮含量对316L室温屈服强度、抗拉强度和室温塑性的影响,从中可以看出,随着氮含量的增加,316L的室温屈服强度(Rp0.
2和Rp1.
0)也逐步增加,平均每增加100ppm的氮,316L屈服强度增加6MPa,抗拉强度增加7MPa.
室温伸长率从66%降低到56%,但仍保持在很高的伸长率.

从图5中还可以看出,当氮含量从0.
044%增加到0.
092%,约500ppm时,材料的屈服强度(Rp0.
2)和抗拉强度分别增加了16MPa和17MPa,拉伸塑性基本保持不变,而当氮含量从0.
092%增加到0.
155%,约600ppm时,材料的屈服强度和抗拉强度分别增加了45MPa和65MPa,拉伸塑性从66%降至61%.
这主要是因为:室温状态下低碳奥氏体不锈钢都含有一定量的δ铁素体,而奥氏体不锈钢中的铁素体能够提高强度,但不利于材料的室温塑性.
氮是奥氏体形成元素,它能够增加镍当量,降低了铁素体的含量,当N添加量较少时,它的强化作用由于铁素体的减少而弱化;而当添加一定量后,就会完全消除掉δ铁素体,如表2所示.
这就可以解释一定量氮的添加对材料强度提高不明显,而当超过该含量后,氮的添加对材料强度的提高很明显.
对于氮能够增加奥氏体不锈钢的强度目前已有很多研究[5~7],研究表明每增加100ppm的氮,可使材料的强度提高6~10MPa,但对室温塑性没有明显影响,这和以上结果基本一致.
但对于氮的强化和铁素体的弱化两者对强度和塑性的影响并没有详细研究.
图5氮含量对固溶态316L合金力学性能的影响Fig.
5Effectofnitrogenonthemechanicalpropertiesof316L2.
4夏比冲击功表3给出了不同温度下含氮奥氏体不锈钢316L的夏比冲击功,从中可以看出:在测试温度高于-100℃时,当氮含量小于0.
092%时,氮的添加对316L的冲击功没有任何影响,而当氮含量大于0.
092%时,氮的添加能够提高316L的冲击功.
当测试温度低于-100℃时,氮的添加降低了316L的冲击功.
虽然在低温下的冲击功有所降低,但冲击断口都表现为100%的塑性断口形貌.
从中还可以看出,不含氮316L的冲击功不随测试温度的变化而变化,但含氮奥氏体不锈钢316L的冲击功随着温度的降低而降低.
2007中国钢铁年会论文集表3测试温度和氮含量对316L夏比冲击功的影响Tab.
3TesttemperatureandnitrogencontentontheCharpy-testballisticworkof316L测试温度/℃样品编号20-20-40-60-100-196316L-1206201191197191190316L-2209198182174174127316L-3270237223209196131316L-42762282082021891362.
5耐点蚀性能图4为316L在20℃,3.
5%NaCl中击穿电位(Eb)的测定结果.
氮的添加显著提高了钢的击穿电位,表明氮的添加显著改善了316L的耐点蚀性能.
当氮含量小于0.
155%时,氮的添加提高了316L的击穿电位值.