18Cr-16Mn-2Mo-0.85N高氮无镍奥氏体不锈钢的晶界特征分布优化及其对腐蚀疲劳性能的影响

【作者】 石锋； 胡金； 史艳婷； 李小武；

【机构】 东北大学材料科学与工程学院材料物理与化学系；

【摘要】 作为一种新型先进的钢铁材料,高氮无镍奥氏体不锈钢具有优异的强韧性和耐腐蚀性能,在海洋工程、航空航天、核工业等领域有广阔的应用前景,但在热加工、焊接和高温使用时该材料的晶界处处会有氮化物的析出发生,这些氮化物的出现会严重降低材料与晶界相关的性能。由于低Σ重位点阵（CSL）晶界结构有序度高,晶界能量低,具有较高的抗晶界失效能力,因此通过合适的形变热处理工艺,获得大量的低ΣCSL晶界,从而可以改善该材料与晶界相关的性能。本工作选用18Cr-16Mn-2Mo-0.85N高氮无镍奥氏体不锈钢热轧板作为研究材料,首先将热轧板材进行1050℃/1 h固溶处理作为基态（记做BM）,然后将一部分基态板材进行不同变形量（5%、7%、10%）的冷轧变形,通过TEM进行微观结构观察;此后对不同变形量冷轧后的样品在950°C进行24 h退火处理,与BM样品全部进行EBSD观察,获得低ΣCSL晶界比例和孪晶相关区域（TRD）尺寸/晶粒尺寸比值较高,晶粒尺寸相差不大的最优工艺;并对表现最优的冷轧量试样分别进行950℃退火30 min、150 min、300 min和500 min的准原位EBSD观察,分析其组织演变规律。最后选用晶粒尺寸相当的最优工艺样品和BM样品经过敏化处理（850℃保温2 h）后在腐蚀环境（5%NaCl、0.5%H₂SO₄和去离子水）下进行不同应力幅值（225-350 MPa）的拉-拉疲劳,探究晶界工程（GBE）对腐蚀疲劳寿命的影响。实验结果表明:实验用钢的冷轧变形组织主要包含层错、平面滑移带和变形孪晶。预变形微观结构中的层错和平面滑移型位错结构有利于后续退火过程中退火孪晶的形核,可促进材料的GBE优化。而变形孪晶则会阻碍TRD的长大,不利于材料的GBE优化。5%冷轧变形后,950℃退火24h（r5%-a950℃/24 h）样品特殊晶界比例最高,达到75.19%,其中Σ3晶界比例为54.95%,且平均晶粒尺寸与BM样品相差不大。对BM和特殊晶界比例最高的r5%-a950℃/24 h样品进行了不同应力幅下的腐蚀疲劳实验。通过S-N曲线发现,在高应力幅下,r5%-a950℃/24 h样品的疲劳寿命与BM样品相比差距较小;但随着应力幅的降低,样品的疲劳寿命较BM样品提高明显,疲劳寿命差异增大。样品表面SEM观察发现,BM样品表面腐蚀明显,并有少量晶粒脱落的现象,腐蚀疲劳裂纹沿被腐蚀的晶界进行扩展;随着应力幅的降低,这种现象更加严重;而r5%-a950℃/24 h样品表面腐蚀较轻,多处腐蚀疲劳裂纹的扩展被阻断,腐蚀疲劳裂纹数量远远低于BM样品。另外断口SEM观察发现,BM样品疲劳源区和扩展区面积总和明显小于r5%-a950℃/24 h样品,BM的瞬断区为沿晶断裂。晶界特征分布优化后,高比例的特殊晶界阻碍了疲劳裂纹的沿晶扩展,显著提高了该材料的抗腐蚀疲劳性能。更多还原