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低镍奥氏体不锈钢的凝固模式及高温力学性能

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第1章绪论

1.1本文的研究背景与意义

1.2低镍奥氏体不锈钢的发展

1.2.1低镍奥氏体不锈钢的发展概况

1.2.2低镍奥氏体不锈钢的研究现状

1.3奥氏体不锈钢的凝固模式与显微组织

1.3.1凝固模式类型

1.3.2不同凝固模式下的显微组织

1.3.3当量预测凝固模式

1.3.4冷却速度对显微组织与凝固模式的影响

1.3.5合金元素对显微组织的影响

1.4金属材料高温力学性能的研究

1.4.1热塑性的影响因素

1.4.2变形强化机制

1.4.3扩散颈缩

1.5主要研究目标及内容

第2章铸坯凝固模式与组织

2.1引言

2.2试验材料及方法

2.2.1试验材料

2.2.2试验方法

2.3实验结果

2.3.1 Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的显微组织

2.3.2 Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢电子探针分析

2.3.3 Cr17Mn6Ni4Cu2N不锈钢的显微组织

2.3.4 Cr17Mn6Ni4Cu2N不锈钢电子探针分析

2.4讨论

2.4.1凝固模式的预测

2.4.2显微组织与凝固模式

2.4.3冷却速度对凝固模式与组织的影响

2.5本章小结

第3章Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢高温力学性能

3.1引言

3.2高温拉伸实验装置及方案

3.3热塑性

3.3.1断面收缩率

3.3.2显微组织对热塑性的影响

3.4高温拉伸变形性能

3.4.1拉伸强度与延伸率

3.4.2拉伸变形特性

3.4.3真应力-应变曲线

3.4.4加工硬化指数

3.4.5加工硬化对延伸率的影响

3.5本章小结

第4章B、N对组织与凝固模式的影响

4.1引言

4.2熔炼实验装置与方法

4.3 B的影响

4.3.1实验过程与参数

4.3.2实验结果

4.3.3 B对组织与凝固模式的影响

4.4 N的影响

4.4.1实验过程与参数

4.4.2实验结果

4.4.3 N对组织与凝固模式的影响

4.5本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

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摘要

低镍奥氏体不锈钢利用Mn与N代替镍,大大降低了其生产成本并节约了镍资源。因此,广泛运用于能源、化工、石油、宇航、食品、轻工、生物工程等众多领域。这种钢的成分与传统的Cr-Ni系奥氏体不锈钢不同,其连铸坯在粗轧过程中容易出现表面裂纹、边部裂纹、边部损伤等成形质量不好的问题。铸坯壳层的热塑性直接影响着热变形过程中裂纹的产生,而变形局部化的较早发生必然影响其表面质量。由于不锈钢的凝固模式决定其热塑性,本文首先研究了连铸坯壳层的显微组织以及凝固模式。然后,在Thermorestor-W热/力模拟机上,对取自Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢连铸坯壳层不同深度区域的小型试样进行高温拉伸试验,研究了其热塑性与高温变形特性。变形温度为950~1200℃,温度间隔50℃,应变速率为0.12s-1。另外,通过设计熔炼试验调整了Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢中B或N含量,从而改变其显微组织与凝固模式,为提高这种钢连铸坯的热塑性提供理论参考。
   对Cr15Mn9Cu2Ni1N连铸坯的显微组织进行分析,为了对比,同时分析了Cr17Mn6Ni4Cu2N连铸坯的显微组织。结果表明:Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢壳层d<27mm区域的显微组织由残留δ铁素体、奥氏体基体与较亮的通道状奥氏体组成;而距离表层表面27mm左右区域通道状奥氏体消失,这种钢的凝固模式为FA模式。Cr17Mn6Ni4Cu2N不锈钢的显微组织仅由残留δ铁素体与奥氏体基体组成,其凝固模式为FA模式。Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢铸坯壳层冷却速度达到2℃/s时,出现了通道状奥氏体。随着冷却速度升高,通道状奥氏体不断增多。随着冷却速度降低,连铸坯上δ铁素体的形态分别为骨架形,侧板条状和蠕虫状。冷却速度变化,没有改变这两种钢的凝固模式。
   研究Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢铸坯壳层的热塑性,结果表明:变形温度高于1050℃时,表层试样的断面收缩率较低,由表及里逐渐增加,在距壳层表面27mm左右处达到最高;变形温度低于1050℃时,壳层各深度区域断面收缩率变化不大。结合铸坯各区域显微组织分析认为,由于高的冷却速度,枝晶间的剩余液相冷却得到奥氏体。这种由液相中直接得到的奥氏体在壳层表层最多,使得壳层表层的热塑性在高温时有所降低;由于铸坯芯部为粗大的等轴晶,其热塑性低于壳层。
   研究Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢铸坯壳层的高温变形特性,结果表明:试样在发生颈缩之前,要经历均匀变形和扩散颈缩变形两个过程,二者都使试样变形区获得均匀的宏观变形形貌。均匀变形阶段的强化效应主要靠应变强化;扩散颈缩阶段应变速率强化起主导作用。随变形温度升高,尤其高于1100℃时,这种钢的应变速率强化效应增强,推迟了最终变形局部化的发生,从而获得较大的延伸率。
   熔炼实验结果表明:B含量在59~140ppm范围内,试样的显微组织主要由网状铁素体、奥氏体基体与较亮的通道状奥氏体组成,其凝固模式为FA模式。随着B含量增加,铁素体数增多,而通道状奥氏体不断减少。N含量在0.1428~0.1596%范围内,试样的显微组织主要由网状铁素体,奥氏体基体与通道状奥氏体,其凝固模式为FA模式。随着N含量增加,通道状奥氏体增多,晶粒明显细化。其铁素体数均比不调整N含量试样的铁素体数减少一半。

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