地铁客车用亚稳态301LN奥氏体不锈钢的应变诱发马氏体相变及其逆转性能的提高外文翻译资料

 2022-08-15 02:08

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地铁客车用亚稳态301LN奥氏体不锈钢的应变诱发马氏体相变及其逆转性能的提高

S. Srikanth , P. Saravanan , Vinod Kumar , D. Saravanan , L. Sivakumar , S. Sisodia , K. Ravi, B. K. Jha

印度钢铁管理局有限公司钢铁研发中心，Ranchi- 834002，印度萨勒姆钢铁厂，印度钢铁管理局有限公司，Salem-636 013，印度

摘 要

亚稳奥氏体不锈钢301LN广泛用于地铁客车结构件的制造。钢表现出高强度和增强可塑性由于应变硬化和应变的在冷变形形成马氏体(alpha;′)。预计当前的市场需求,在印度的许多在建地铁项目,要求生产的钢与极限抗拉强度(ut)超过1000 MPa和产量(y / ut)之比小于0.8,因为这将有利于大幅削减皮重和crash-worthiness地铁教练。高回火(HT)下的典型性能要求为:屈服强度(YS) ~ 751-921 MPa，极限抗拉强度(UTS) ~ 1001-1151 MPa，延伸率~ 22% min，硬度~ 36hrc max, YS/ UTS比值lt;0.8。工厂以往的经验表明，通过冷轧获得的最大抗拉强度仅为970 M Pa，任何过度变形都会严重损害延展性(lt; 22%)和硬度(gt; 36 HRC)，使其超出可接受范围。在目前的工作中，一种创新的热机械加工(TMP)方法已经得到发展，通过实验冷轧和短退火模拟在Gleeble 3500c的这种看似不太可能的组合的性能热机械模拟装置。小说过程方法需要传授大量降低冷(CR) 45 - 50%在Sendzimir磨后跟简短单炉操作标准线路运营速度在750℃退火酸洗的300系列1号线的萨勒姆钢铁厂(SSP)。属性的改善归因于通过形成亚微米粒度的奥氏体晶粒细化控制反转(gamma;)微观结构的应变马氏体(alpha;′)在短的退火处理。该工艺不同于传统的长退火处理(300-360秒)用于冷轧后通过恢复和再结晶工艺使钢软化。

关键词 奥氏体不锈钢 冷轧 应变 马氏体

1.介绍

奥氏体不锈钢(ASS)传统上用于各种需要良好耐腐蚀性和成形性的场合。然而，他们最大的缺点是收益率强度相当低，如EN 1.4301 (AISI 304)的230-260 MPa, EN 1.4318 (AISI 301LN)的350-380 MPa。这限制了它们在结构应用程序中的使用。这些钢的抗拉强度在600 ~ 800 MPa之间，总延伸率在45 ~ 60%之间。然而，就强度和延伸率而言，不锈钢的强度和延伸率远远高于碳钢[1,2]。近年来，开发“第三代”包括不锈钢在内的先进高强度钢，用于轻型建筑的兴趣日益浓厚。这些钢具有纳米超细晶粒组织结构，具有强度和延性的良好组合[3,4]。由于奥氏体不锈钢(ASSs)在热变形过程中不发生任何转变，只有在微观组织[5]中发生再结晶才能实现晶粒细化。根据文献,晶粒细化程度通过这些过程非常有限(大约5mu;m) [6]。图1描绘了经典的“香蕉曲线”，它显示了各种先进的高强度钢(AHSS)的强度-延性组合，包括传统退火的典型性能范围和温度-低温亚稳态奥氏体不锈钢。

图1所示“香蕉曲线”显示了包括奥氏体不锈钢[7]在内的各种AHSS的强度-延展性组合

亚稳奥氏体不锈钢是奥氏体的重要等级gamma;-austenite可以变为alpha;acute;马氏体在冷变形由于其相对较低的等价物。因此，亚稳级比稳定的奥氏体级具有更高的抗拉强度和更好的成形性。亚稳态亚稳奥氏体不锈钢应用于各种结构应用，如铁路和汽车结构件，由于汽车和客车的减重和碰撞安全的必要性。马氏体的形成是由亚稳奥氏体的塑性变形引起的，它对奥氏体不锈钢产生高强度和延展性组合以及TRIP效应(延迟缩颈的开始)具有重要意义。由于应变硬化(增加位错密度、孪晶、堆积缺陷或铃木缺陷)，这种钢表现出高强度和增强塑性锁)和应变形成马氏体(alpha;′)在冷变形(旅行的效果)。实质性的加强可以通过塑性变形温度低于Md (Md是马氏体转变温度最高可以引起塑性变形)生产bccalpha;acute;和hcpε马氏体。fcc奥氏体的变换对alpha;gamma;acute;和ε马氏体取决于合金堆垛层错能,程度的变形,塑性应变、应变率、粒度、温度、等。[8、9]。研究了亚稳Cr-Ni奥氏体不锈钢中重冷变形马氏体受控退火的新工艺许多研究人员高度细化了奥氏体晶粒尺寸[2,10-13]。在第一阶段，在温度(RT)附近的奥氏体变形导致奥氏体向马氏体的应变剪切转变，退火后，这种严重变形的马氏体通过马氏体剪切或扩散逆转机制转变回细晶粒奥氏体。优化的退火计划导致超细(纳米或亚微米)晶粒结构的形成，导致强度-延性组合的显著改善[2,10-13]。

图2说明了形变场处理(TMP)用于获得超细粒度(UFG)或nano-grained (NG)奥氏体结构通过控制反转马氏体亚稳。各种各样的奥氏体不锈钢在萨勒姆钢铁厂(SSP)在印度,亚稳奥氏体不锈钢301型是广泛用于制造铁路汽车结构和汽车饰件的应用程序组件。目前，对适合城市轨道交通的地铁客车的制造等级存在着大量的需求。该钢在退火状态下屈服强度较低，屈服强度为350 ~ 380 MPa，抗拉强度为600 ~ 800 MPa，总伸长率为45 ~ 60%。预测,然而,当前市场需求的许多在建地铁项目在印度,要求制造的钢铁生产超过1000 MPa和产量的比率小于0.8,因为这将有利于大幅削减皮重。

钢材的冷轧卷(CRC)具有各种厚度和回火编号(即高回火(HT)、med iu m回火(MT)、标准回火(ST)、死轻回火(DLT)和轻回火(LT))，通过冷轧和同时退火循环生产。表1给出了301LN亚稳奥氏体不锈钢的标称化学。

图2 TMP通过逆转亚稳驴体内的形变马氏体获得UFG奥氏体结构

图3 萨勒姆钢铁厂AP线1号退火段的布置示意图

采用冷变形步骤，通过应变硬化(由增加位错密度、孪晶、堆积缺陷)同时应变马氏体的形成(alpha;′)。钢铁因此表现出高强度和增强可塑性。由于应变硬化和应变的形成马氏体(alpha;′)在冷变形(旅行的效果)，通常情况下退火周期随后被用来获得所有的温度下的性能，除了高回火(HT)，即钢是在冷轧条件下生产的。根据地铁客车制造的流行规范，高温回火处理4/ 4.5 mm厚时要求的主要性能组合为:YS ~ 751-921 MPa, UTS ~ 1001-1151 MPa，延伸率~ 22% min，硬度~ 36hrc max, YS/UTS比值lt;0.8。实践经验表明，该等级通过冷轧获得的最大抗拉强度仅为970mpa，过度变形严重损害了HT回火规定限度以外的延性(lt; 22%)和硬度(gt; 36 HRC)。因此，本研究致力于开发一种合适的加工方法，用于制造具有UTS gt; 1000 M Pa、YS/UTS比值lt; 0.8、SSP最大硬度为36hrc的301LN线圈。

2.实验

2.1基本期研究

Sendzimir轧机的作战能力和退火酸洗1号线的可行性进行了研究探索用人严重塑性变形和短时间回复退火治疗影响晶粒细化和增强在寒冷时301l的亚稳奥氏体不锈钢。Sendzimir轧机是可以实现限制较高的降低因素。是由于是轧机的生产能力和导致的带钢平整度和硬度，更薄的线圈压力表更容易实现更高的复位。在AP Line-1短退火处理的可行性也进行了类似的研究。图3为AP线1在SSP处的退火炉布置示意图，其退火炉布置为离散三炉布置，带冷/淬区布置示意图。这是观察到:(1)据1号线实现退火温度最低的是大约730 - 750 ℃(2) 6 - 45之间的直线速度可以变化mpm(米/分钟)线圈厚度从4.0到0.3毫米,和(3)据1号线的三个炉安排提供了操作的灵活性,两个或三个炉,每炉16米长。通过将退火处理限制在单炉操作，可以实现80-160秒的短退火周期。

2.2材料

用于试验的商用301LN奥氏体不锈钢由Salem steel Plant (SSP)提供。尺寸为300 mm(长)x 275 mm(宽)x 8.5 mm(厚)的热轧带钢样品来源于1号面退火和酸洗的热轧卷钢(HRC)。钢的化学成分见表2。

2.3冷轧实验

带钢在英国实验室轧钢厂Hille进行冷轧，通过多道次，累计冷轧60-80道，总的冷量减少45%和50%。轧辊间隙在轧机上逐步设置，以实现有效厚度减少在3-8%之间通过。整个厚度的减少是通过逐步减少10到12辊缝设置完成的。对冷轧带钢进行了充分的冷轧辊油润滑，并在流动水条件下进行间歇冷却，以控制两道之间的绝热加热。在轧制过程中，对带钢的轧辊间隙、轧制负荷和输出厚度进行连续监测，进行控制轧制。

表2 301LN HRC退火化学组成(wt%)

2.4横切模拟尺寸为190 x 25mm的带状退火试样

对冷轧带钢的直接轧制，总成本降低45%和50%。在Gleeble 3500C热机械模拟装置上进行了80-160 s的短时间退火退火实验。两个退火带钢退火模拟选择温度分别为750和800℃，并假设单炉长度为16 m。退火时间的选择是为了模拟6- 12mpm的线速度，以满足AP线1单炉运行时对4mm线圈的要求。从实际应用的角度出发，为了使模拟更加实用，进一步假定退火温度达到峰值在16米的熔炉出口。与之前报道的结果相比，矩形带试件中部的均匀温度区长度约为25 mm研究人员[2,12,13]给出了较厚的样本在中心有一个较宽的均匀加热区这一事实。退火后的带钢试样在气雾中以200℃/s的冷却速率冷却至50-100℃左右。图4显示了在Gleeble模拟中使用的退火循环示意图。

图4在Gleeble模拟中使用的退火循环示意图

2.5冶金特性

在10吨静态拉伸试验机(INSTRON 1195)中，通过拉伸试验，基本上确定了原始轧制和退火试样的力学性能。所有拉伸试样按照ASTM A370-07a的要求进行加工和准备。

在标准尺寸的拉伸试样(50mm规格长度)和冷轧不锈钢试样(25mm规格长度)的同时，在Gleeble simulator模拟退火的m钢带中加工了尺寸为25mm的沉降试样。由于在Gleeble试样中间存在较窄的均匀退火区域的限制而使用。除接收材料外，所有拉伸试样都是横向提取的，在这种情况下，拉伸试样在轧制和横向方向均进行马赫检测，以检查力学性能的变化。图5为Gleeble试验拉伸试样和金相试样位置示意图

图5说明格力布尔试样拉伸和金相试样位置的示意图

采用Olympus光学显微镜和JEOL JSM-840A扫描电子显微镜(SEM)对退火、冷轧和还原退火后的亚微米奥氏体晶粒结构进行了定性分析和成像研究。采用常规研磨-抛光工艺，在10%的草酸溶液中以6V电解蚀刻30 s，进行显微观察。应变马氏体的体积分数(alpha;′)在每个阶段使用赫尔穆特bull;菲舍尔MP3 ferritescope决心。数据被转换为alpha;′马氏体体积分。根据先前的研究人员[14]的建议，用正确的离子因子1.71进行多重供给。为了进一步确证结果，在研斯顿沃伯特硬度计中对原始、冷轧和退火后的试样进行了洛氏硬度测量。

3.结果与讨论

3.1初始组织和性能的接收材料

表2给出了301LN热轧卷管(HRC)样品的化学成分(重量百分比)。Angel提出的Md30/50温度下的奥氏体稳定性指数为35℃，高于室温，根据Eichelmann和Hull方程计算的Ms温度为-115 ℃，远低于室温。正如Tomimura等人[11]所提出的“应变诱发马氏体转变和奥氏体逆转”(SIMTR)技术，该钢满足了奥氏体亚稳态和晶粒细化的基本前提条件。

图6为在光学显微镜和扫描电镜下观察到的不锈钢的微观组织。退火组织的晶粒尺寸是相当粗糙的广泛多样的10-40micro;m。选项卡勒3给出了相应的拉伸性能,硬度和alpha;′马氏体含量的应用基材料。钢的纵向和纵向拉伸性能无明显变化的横向方向。从地铁客车751 ~ 921 MPa的工程要求来看，退火不锈钢的屈服强度在331 ~ 352 MPa之间是相当低的。抗拉强度在812-831 MPa范围内，也远低于HT回火的要求，即1001-1151 MPa。但整体断裂伸长率和应变硬化特性较好，伸长率和应变硬化指数(n)分别为62-64%和0.62-0.64。

钢铁被发现又美观,应变硬化指数的增加抗张应变表示的过程中相变诱导塑性(旅行)效应与应变有关马氏体(alpha;′)的形成。这一特性使得钢材能够在颈缩开始前吸收更多的塑性能量，这一特性对地铁客车结构构件的耐撞性至关重要。顺便说一下,96 HRB的退火钢表现出硬度和低alpha;′马氏体含量的1.6%。

图6 301LN不锈钢经热轧、固溶退火和酸洗后的微观组织:(a)光学图像(b)二次电子图像

表3 301LN HRC样品经溶液退火和酸洗后的拉伸性能和硬度

3.2实验冷轧的结果

图7描述了轧制负荷在总体冷还原(CR) 45%的情况下的变化。显然在冷态降低约22%后，轧制负荷突然增加，这可能意味着在钢中开始形成应变马氏体(SIM)。SIM浸透在39%左右的格式离子冷轧和饱和压力(εs)约为0.39,目前粒度的钢铁和化学和轧制条件(温度、应变、应变速率)自冷反编排离子持续超出饱和压力(εs)约5 10%,分别45和减排50%,它是安全的假设马氏体是有效的条件,通过破碎和碎片在寒冷的严重错位滚动。在301LN奥氏体不锈钢中，严重脱位马氏体的形成是有效和成功地

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