TP347不锈钢动态再结晶行为及组织演变分析

2020-04-11 18:21:54

  浙江宏盛特钢有限公司采用Gleeble-3500热模拟试验机对TP347含铌奥氏体不锈钢进行单道次等温热压缩试验。热压缩温度为900~1150℃,应变速率为0.005~0.05s-1。由流变应力曲线的回归分析得到TP347不锈钢的动态再结晶激活能及有关的材料常数。通过金相检验揭示了TP347不锈钢动态再结晶晶粒尺寸的变化。研究表明,TP347不锈钢的动态再结晶晶粒尺寸随着应变速率的增大而减小,由于含铌,导致在相同变形条件下,与304不锈钢相比TP347不锈钢的稳态应力更高,晶粒更加细小。这主要是由于TP347不锈钢中高温析出碳化铌并对晶界及位错运动起钉扎作用所致。


  目前,发展高蒸气参数及大容量超超临界机组已成为提高火电厂效益及降低成本的有效途径,开发具有高强度、高塑性及相对廉价的材料已成为实际生产的核心问题。对于超超临界机组锅炉用TP347不锈钢,细化组织除了可以提升材料的热塑性外,还可以大幅度提高其抗蒸气氧化性、许用应力、疲劳强度及耐热腐蚀性能,从而保证材料能在高温条件下长期运行。鉴于组织细化的重要性,如今超超临界机组用TP347不锈钢的生产趋向于通过改善工艺来细化组织。例如住友公司,通过最后一道拔管前的软化退火,获得了高温强度更好的细晶粒TP347HFG不锈钢。由于动态再结晶行为对细化组织有明显的作用,因此研究TP347不锈钢动态再结晶过程微观组织的变化及流变应力行为具有重要的意义。分析合金成分发现,TP347不锈钢含有能细化组织的微合金元素铌,铌对TP347不锈钢动态再结晶行为的影响的分析是十分必要的。TP347不锈钢是在304不锈钢的基础上添加0.7%左右的铌,所以可通过对TP347不锈钢和不含铌的304不锈钢的热压缩试验,直观地反应铌对热加工过程中流变应力及微观组织变化的影响。浙江宏盛特钢有限公司采用Gleeble-3500热模拟试验机对TP347奥氏体不锈钢进行了单道次等温热压缩试验,研究变形过程中的流变应力、晶粒尺寸及微观组织的变化,以及温度、应变速率等工艺参数对钢的组织和性能的影响,并与304不锈钢的试验结果作比较。


一、试验方法


1. 试验材料


   试验材料为挤压态超超临界机组用TP347奥氏体不锈钢,化学成分如表所示。


2. 试验方案


    试验是在Gleeble-3500热模拟试验机上进行的。开始时以5℃/s的升温速度将试样加热至1200℃,保温120秒,再以5℃/秒的降温速度将试样冷却至变形温度进行压缩。应变速率分别为0.005s~1,0.01s~1,0.05s~1;变形温度为900℃,1000℃,1100℃,1150℃;应变量为1。压缩完成后淬火保留高温组织。金相试样从压缩后的试样中部截取,观察面垂直于压缩面。金相试样用王水溶液(35%硝酸,15%盐酸,50%甘油)腐蚀以显示奥氏体晶界。用ZEISSAxiovert40MAT型光学显微镜进行金相分析,并采用截线法测量晶粒尺寸。热压缩变形工艺如图所示。


二、分析与讨论


1. 流变应力


    图为TP347不锈钢等温单道次热压缩试验中不同变形条件下的流变应力曲线。在大部分变形条件下,随着变形程度的增大,应力逐渐达到峰值,随后逐渐降低,表现出典型的动态再结晶特征。图3为相同变形条件下TP347不锈钢与AISI304不锈钢流变应力曲线对比图。由于试验材料的初始晶粒尺寸不同,不宜将峰值应力和峰值应变作为对比对象。根据动态再结晶基本理论,在相同变形条件下,即使初始晶粒尺寸不同,应力达到稳态时也是相同的,因此本文选择相同变形条件下的稳态阶段应力作对比。通过对比发现,TP347不锈钢的稳态阶段应力值明显大于304不锈钢,据文献报道,造成这种现象的原因是TP347不锈钢高温条件下析出的NbC的钉扎作用,阻碍合金晶内位错运动和晶界运动,产生沉淀强化。同时变形过程中产生相对较小的晶粒引起细晶强化,两者共同作用导致TP347不锈钢热加工变形抗力相对较大。


2. 动态再结晶微观组织


   图为TP347不锈钢的原始组织。为变形温度为1150℃、应变量为1、以不同应变速率热压缩的试样的显微组织。表明应变量为1时,TP347不锈钢经不同工艺热压缩变形后皆为细小的再结晶晶粒,与初始晶粒相比晶粒明显细化,由此可见动态再结晶可使TP347不锈钢的晶粒细化。此外,通过统计不同应变速率下的平均晶粒尺寸,发现随着应变速率的增大,系统内晶粒尺寸逐渐减小,平均晶粒尺寸由16.9μm减小至11.4μm,符合动态再结晶基本理论。采用截线法统计各变形条件下应变量为1时的动态再结晶平均晶粒尺寸dDRX值,结果如表所示。此处采用公式描述dDRX与Z值之间的关系。通过对表数据点的拟合,得到dDRX晶粒尺寸模型,结果如图所示。图中TP347不锈钢的平均晶粒尺寸与Z值呈反比关系,指数为-0.18。此结果与304不锈钢热压缩试验结果-0.17十分接近,且相比之下TP347不锈钢的指数与系数更小。可以认为,在相同变形条件下TP347不锈钢能获得更细的晶粒。造成差异的主要原因是,高温下TP347不锈钢中析出NbC,一方面对晶界的迁移起钉扎作用,抑制变形过程中再结晶晶粒长大,导致晶粒细化;另一方面,变形过程中位错绕过第二相粒子时成为新的变形核心,显著增加集中变形区的数量和动态再结晶形核率,使晶粒进一步细化。


三、结论


  1. 在Gleeble-3500热模拟试验机上对TP347不锈钢进行单道次等温热压缩试验。通过回归分析试验数据,得到该变形条件区间内动态激活能Qact平均值为248377J/mol,材料常数n为4.33,A值为4.07×1010。


  2. 在不同变形条件下TP347不锈钢的组织均明显细化,证明以高温塑性变形细化TP347不锈钢的组织是可行的。且在相同变形温度下,随着应变速率的增大,晶粒尺寸减小。


  3. 相同变形条件下TP347不锈钢的稳态应力高于304不锈钢,且晶粒细化效果更显著。其主要原因是TP347不锈钢高温条件下析出的NbC具有钉扎作用,阻碍位错运动和晶界运动。


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