通过改进热加工和热处理工艺提高13％Cr马氏体不锈钢的冲击韧性外文翻译资料

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本科生毕业设计（论文）论文翻译

通过改进热加工和热处理工艺提高13％Cr马氏体不锈钢的冲击韧性

Kulkarni Srivatsa n , Perla Srinivas, G. Balachandran, V. Balasubramanian

Kalyani Carpenter Special Steels Pvt. Ltd, Mundhwa, Pune 411036, Maharashtra, India

文章信息

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文章历史：

2016年7月6日接收

2016年9月10日修改

2016年9月13日被接受

2016年9月14日上线

关键词：

马氏体不锈钢变形

13％Cr钢

单硬化

双硬化

晶界碳化物

晶粒细化

摘要

一般机械性能的改善，特别是温度在零下时0.2％

C-13％Cr马氏体不锈钢的冲击韧性已通过改变热变形和热处理条件进行了探索。 变形条件一是对铸锭进行热轧，二是将该锭锻造成半成品，随后进行热轧。由两种路线制成的棒需要在980℃和1040℃下进行单硬化热处理，油淬；并且在1040℃进行双硬化热处理，然后980℃油淬。硬化钢需要在710℃和680℃下进行标准的两阶段回火。在双硬化条件下，在齿轮轧制钢中的冲击韧性增加了一倍。其它加工条件则显示出对冲击韧性产生不同水平的影响。韧性被发现与基体中的晶粒尺寸和碳化物分布以及断裂特征相关。

2016 Elsevier B.V. All rights reserved

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2016年7月6日接收

2016年9月10日修改

2016年9月13日被接受

2016年9月14日上线

关键词：

马氏体不锈钢变形

13％Cr钢

单硬化

双硬化

晶界碳化物

晶粒细化

1. 引言

在石油和天然气，发电和石化等工业部门方面的应用，要求材料具有优异的强度韧性和耐腐蚀性。13％Cr不锈钢由于成本较低，与其他等级的不锈钢相比，在强度，韧性和耐腐蚀性方面的综合性能优异，因此在石油和天然气工业中受欢迎[1]。普遍使用的13％Cr马氏体不锈钢含有约0.2％的C含量，其在热处理时生成具有加强基体的碳化物，分布均匀的回火板条马氏体结构。 碳化物的尺寸，形状和分布以及晶粒尺寸影响钢的机械性能，特别是温度在零下时的冲击韧性。 碳化物分布和晶粒尺寸受热变形和热处理的影响。 直链Cr马氏体不锈钢易于锻造，0.2％C-13％Cr钢的热加工和变形特性涉及温度在1050℃至1230℃之间的完全奥氏体化变形，其中完全不存在delta; 铁素体[2]。

退火热处理钢被缓慢冷却至室温，导致板条马氏体组织的形成。 通过温度在830和885℃之间的完全退火使退火后的钢软化[2]，其中所获得的微结构是铁素体基质中的球化碳化物。退火条件下的碳化物随着M₇C₃型碳化物的存在而沿着晶界显示为M₂₃C₆型碳化物[3-7]。 据调查，在M₂₃C₆碳化物长时间暴露后，增加退火时间将使M₃C转化为M₇C₃，。退火后的钢经淬火回火提高硬度。 硬化通常通过在965°C-1050°C范围内的奥氏体化进行，然后进行空冷，油或聚合物淬火[2]。在不完全奥氏体化温度(965-1000℃)下，碳化物在奥氏体中的溶解不完全，残留在晶界的碳化物会使材料的机械性能下降[8-10]。在完全奥氏体化温度(1000-1040°C)下，晶粒的生长会严重影响机械性能。 通过在200和750℃之间回火处理来得到理想的机械性能，避免在350至550℃温度范围的回火而产生脆化[11]。温度在回火脆化范围以下时材料保持良好的强度，但韧性差，温度在回火脆化范围以上时，材料韧性高，强度高，回火时形成的碳化物为M23C6。在所有上述加工过程中晶界碳化物的存在都会降低低温时的韧性和耐腐蚀性[12,13]。 增加奥氏体化温度或保温时间，确保碳化物完全溶解而不会使晶粒生长，从而提高钢的韧性。具有较高碳含量(0.45％)的13％Cr钢，在高于1040℃的高温下进行奥氏体化有较低的碳化物占比，但会有晶粒生长，从而降低了强度和韧性[14]。通常，在奥氏体中溶解晶界M₂₃C₆碳化物的奥氏体化条件(1000-1040℃)，不产生晶粒生长[15,16]。 在高碳13％Cr(D2钢)中，通过生冷处理(-196和-73℃)加速马氏体分解对二次碳化物的影响已经被用于估算碳化物体积分数，并将其与冲击韧性和强度相关联[17]。通过研究显微组织对低温处理D2钢的断裂韧性的影响，观察到韧性随着残留奥氏体含量的降低和二次碳化物的增加而降低。 据研究表明，一次碳化物的存在使韧性显着下降，而生冷处理由于改善了碳化物分布而提高了韧性[18]。已经有了碳化物的分布在D2型钢各种类型和低温时的温度处理的函数关系，并且其对韧性影响和耐磨性已经与残留奥氏体和二次碳化物分布相关联[19]。在另一项关于低温处理的钒工具钢的研究中，通过SEM，TEM和XRD技术表征了碳化物分布。 回火处理在零度以下的试样中没有显示出二次硬化的现象[20]。

在对钒6工具钢进行了扩展研究后，确定了二次碳化物和残留奥氏体的精细化效果及其对断裂韧性和磨损的影响[21]。在本研究中，已经结合了对0.2％C-13％Cr钢的机械加工和热处理加工的组合，来通过修改碳化物分布来改善13％Cr-0.2％C马氏体不锈钢冲击韧性 。

1. 实验细节

钢先在35吨电弧炉中熔化，随后进行钢包精炼和真空脱气。 然后通过底部倾倒式技术将液态钢铸造成四公吨铸锭(平均尺寸为570mm)。选择两个典型的铸锭进行研究。 将第一个铸锭直接通过初轧机热轧至235times;215mm的半成品，然后用精轧机轧成直径为170mm的棒状。第二个锭先嵌入式轧制成250times;270mm半成品，然后进一步轧制至170mm直径的棒。 在这两种情况下，铸锭的总压缩量比保持在14。热加工参数总结在表1中。热轧后，将钢棒在850℃退火4小时，然后冷却至590℃。 使用SEM和XRD表征退火后的显微组织。在Bruker D8机器的退火钢上进行XRD，步长为0.02°，扫描速度为3s每步和MoKalpha;过滤器。 选择长度为170 mm的切割条，用于实验室规模的马弗炉中的热处理研究。 将三个切割条，各自在常规轧制棒和嵌入式轧制棒中进行以下热处理。第一种是在980℃和1040℃下通过奥氏体化淬透3小时15分钟，然后进行油淬，使(常规辊和齿形卷绕)硬化。第二种是在1040℃下将另一组棒材(常规轧制和硬化轧制)奥氏体化3小时15分钟，随后进行油淬。将钢棒保持在淬火剂中45分钟。然后通过在980℃奥氏体化3小时15分钟对钢棒进行第二次硬化处理，随后油淬。 所有硬化后的试样经过两次回火，然后进行油冷。首先在710℃回火5小时15分钟，然后在680℃下回火5小时15分钟。 使用ARL 3460光谱仪测定钢中的化学成分，并使用LECO气体分析仪分析各种气体含量。

使用维氏硬度计在200g试验压力下用金刚石压头在不同条件下测量硬度。 使用Shimadzu拉伸试验机在中间半径位置进行机械测试，并且要注意使测试试样符合ASTM E8圆形试样的直径12.5mm和量具长度50mm标准。使用FIE试验机测试各种热处理条件下的试样在零下温度(-10℃)条件时的冲击韧性。冲击试验试样按照ASTM E23制备。 使用光学显微镜分析显微组织，并选择试样进行SEM测试。 使用的蚀刻剂是Villella试剂。SEM获得的显微组织如图1所示。 如图1所示，对于碳化物分布，使用Image J软件在1000倍放大下量化以捕获微结构中最细小的碳化物。 检查10个区域的碳化物分数。通过对不同阶段进行着色，图像分析软件可以自动计算各个相的百分比来确定每个区域的面积分数。标准偏差也被确定。 根据ASTM E112氧化炉中的晶界来确定原始奥氏体晶粒尺寸。 使用SEM来捕获在两组加工条件下双回火后的棒材剖面图像。 使用奥林巴斯立体显微镜根据ASTM A370测量脆性断裂区域。

1. 结果与讨论

本研究中研究了13％Cr-0.2％C钢的机械性能，特别是零下时的冲击韧性。 研究使用了变形路线(i)常规热轧(ii)螺纹轧制的铸锭铸钢。锻钢产品的轧制棒试样受到的处理为(i)在980℃和1040℃下进行单硬化热处理，随后进行油淬，(ii)二次硬化热处理

1040℃/油淬火plusmn;980℃/油淬)处理。硬化钢先在710℃然后在680℃进行标准的两段回火热处理，[2]。机械性能的重点研究已经放在了低温度时的冲击韧性。 性能与加工过程中的成分和微观组织演化有关。选择的回火温度为710°C，以达到强度，韧性和耐腐蚀性的最佳平衡，满足一些技术上的最终用途。

表1

本研究中使用的热作用参数

图1. 1000倍的典型SEM显微组织图像用于定量碳化物分数：碳化物(白色)和基体(黑色)。

3.1 合金元素的添加对马氏体形成的影响

本实验钢的化学组成如表2所示。通常，13％Cr钢的碳含量在0.15-0.3％之间，具有足够的强度，耐腐蚀性和韧性。在当前用钢中，碳含量维持在0.18％。 在当前碳含量时，马氏体转变起始(Ms)温度为297℃，马氏体转变终了温度(Mf)为197℃，远远高于室温，根据下面给出的公式[22,23]，这又减少了淬火残余奥氏体的存在。此外，较低的碳含量在基体中产生较小的碳化物分数，这在保证一定的强度条件下提高了钢的韧性。 较低的碳含量主要促进M23C6型碳化物的生成，而较高的碳含量具有促进M7C3(M = Fe，Cr)型碳化物生成的潜力[10]。

根据上述方程，Ms点温度为297℃，Mf点温度为197℃，这与Nakazawa报道的0.2C-13％Cr钢的数据相符[24]。考虑到奥氏体化温度对Ms和Mf点温度的影响，Nakazawa报道了奥氏体化温度低于1000℃，Ms和Mf点温度的降低，其中碳化物溶解完全。在本研究中，使用Nakazawa的数据，Ms点温度差为10℃左右，奥氏体化温度为980和1040℃，Mf点温度差为15℃左右。 因此，Ms和Mf点温度的这种小的变化不会显着改变残余奥氏体或碳化物的显微组织特点。维持较低的硫含量以获得更多的各向同性的性质，特别是横向冲击韧性，其随着细长的硫化物增加而降低。 磷的含量保持在低水平以避免回火脆化。 钢中13％的Cr含量是钢具有良好的耐腐蚀性，并且还确保了良好的淬透性，并且令CCT图向右移动，这使得全厚度的马氏体在宽范围的冷却速度内形

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