论文部分内容阅读
为降低奥氏体不锈钢的成本,提高奥氏体不锈钢的力学性能与腐蚀性能,采用理论计算与扫描电子显微镜、透射电子显微镜、光电子能谱分析仪等实验相结合的方法,研究了氮、铜对低镍不锈钢微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响,揭示了氮、铜在奥氏体不锈钢中的作用机理,开发出一种新型氮铜复合低镍奥氏体不锈钢。利用Thermo-Calc热力学软件和TCFe-8.0铁基合金数据库计算了 316L不锈钢降低至5wt%镍含量,增加氮含量(0.1～0.4wt%)及铜含量(0～6wt%)对奥氏体、铁素体相区范围的影响。第一性原理计算了γ-Fe、Fe-N、Fe-Ni、Fe-Ni-Cu系的弹性常数、体系体积模量、剪切模量、弹性模量及体现材料延展性能的力学常数。计算结果表明氮对γ-Fe的剪切模量值最高,体模量与剪切模量的比值及泊松比表明增氮对γ-Fe的强度及塑性均有利。铜掺杂使Fe-Ni体系的剪切模量、弹性模量分别降低了 4.22%和3.82%,体积模量与剪切模量之比增大了 2.45%及泊松比提高2.16%,表明铜的掺杂降低了 Fe-Ni体系强度下降,塑性提高。计算结果确定氮、铜对试验不锈钢奥氏体区与铁素体区最佳比例的设计成分为5wt%Ni+0.3wt%N+4wt%Cu。实验结果表明5wt%镍含量的氮钢,其室温拉伸强度提高了 32.97%,室温塑性变化幅度不明显;室温V型冲击功值提高了 43.21%;显微硬度增加1倍。试验钢的组织均为单相奥氏体,增氮造成氮在钢基体间隙固溶使晶格膨胀,在固溶处理过程中形成退火孪晶,产生晶格强化和孪晶强化。增氮还促进了碳氮化物沿晶界析出及长大,阻碍晶界移动,造成试验钢基体内部产生内应力,与高密度位错、孪晶、晶界和层错之间发生相互作用,显著提高了氮钢的强度。高氮含铜钢组织中Cr2N、CrN等氮化物的析出证明了这一现象。电化学测试表明氮钢的腐蚀速率比316L钢降低59.2%,钢中加入的氮在表面钝化膜外层富集分解为铵根离子和硝酸盐,提高其耐腐蚀性。氮钢晶间腐蚀的平均失重率低于国家标准的1.1g/m2.h,性能符合国家要求。电化学测试表明加入3wt%Cu的氮钢耐腐蚀性能最佳,表面钝化膜中铜生成Cu2O是其耐腐蚀性提高的本质原因。采用Arrhenius本构方程分别计算了氮钢、含铜氮钢及高氮含铜钢的热变形激活能,含0.41 wt%N的高氮含铜钢的激活能值比含0.24wt%N的氮钢激活能值高出17.1%,比含3wt%Cu、4wt%Cu含铜氮钢的激活能值高出约27.6%,比不加氮的铜钢激活能值高出40%,计算表明增氮提高钢的强度,强度与氮含量呈线性增加,加铜降低了氮钢的强度,但可以扩大热加工的有效温度范围,加入3wt%、4wt%铜的氮钢激活能数值没有明显差异,对热加工温度范围影响明显不同。计算与试验结合确定新型氮铜复合低镍奥氏体不锈钢的最适宜成分为5wt%Ni+0.3wt%N+3～3.5wt%Cu。