护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N动态拉伸的SEM观察研究

任涛林，王辉亭，文道维，赵 鹏，高秀玲，李文君，戚彩梦，霍 岩



护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N动态拉伸的SEM观察研究

任涛林1,2，王辉亭2，文道维1,2，赵 鹏1,2，高秀玲1,2，李文君1,2，戚彩梦1,2，霍 岩1,2

（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨150040；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

本文利用带有动态拉伸台的高分辨扫描电镜对护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N进行了动态拉伸的微观形貌原位观察。通过观察表明滑移和孪生是室温下奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N的主要变形机制；随着变形量的增加，晶粒内部的滑移线逐渐增加和加宽，并出现交滑移。在试样的预制裂纹处容易造成应力集中，逐渐产生微裂纹，最终导致试样的断裂。

奥氏体不锈钢；动态拉伸；变形机制

0 前言

奥氏体不锈钢是指在常温下具有奥氏体组织的耐腐蚀钢。1Mn18Cr18N是汽轮发电机护环常用的一种奥氏体不锈钢材料，其中低碳和高铬能够使其具有优良的耐腐蚀性能；高锰使材料具有顺磁性；氮元素可以稳定奥氏体并扩大室温下的奥氏体相区，使其不出现铁磁性。氮化物具有弥散强化作用，能够显著地提高材料的抗蠕变性能。氮元素具有固溶作用，使奥氏体晶格发生膨胀畸变，极大地提高材料屈服强度，使得材料在具有高强度状态的同时，具有良好的韧性和耐应力腐蚀性能[1]。为了解1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢在室温拉伸状态下性能及裂纹的萌生、扩展和断裂，可以利用带有动态拉伸台的扫描电镜从微观角度深入地研究该材料的组织演变和力学性能。张静武等人[2]利用透射电镜原位拉伸方法，对面心立方结构的304L钢进行了裂纹萌生和扩展的观察，并对裂纹尖端扩展和晶面变形机制进行了分析。结果表明：晶内开裂起源于无位错区，裂纹在无位错区中形成和位错塞积无直接关系。谢敬佩等人[3]利用透射电镜原位拉伸的方法，研究了中锰奥氏体钢的加工硬化动态过程，结果表明伴随着变形量的增大, 位错增殖并产生交互作用，形变析出的碳化物对位错运动产生强烈阻碍作用。

1 试验材料与方法

试样用材料取自德阳万鑫电站产品开发有限公司生产护环中环的切向部位，利用红外碳硫仪（型号CS800）、等离子光谱仪（ICAP6300）和直读光谱仪（型号 Metal 75-80）测得各主要元素的含量，如表1所示。

动态拉伸试样需要经过200目砂纸粗磨、400目砂纸粗磨和600目砂纸细磨，再使用颗粒尺度为1~2.5μm的金刚石喷雾剂进行机械抛光，不需要进行腐蚀，最后在扫描电子显微镜（型号HITACHI S-570）上观察，其内置拉伸台的最大拉伸载荷为200kg，最大位移量为20 mm。本试验中采用位移载荷控制，拉伸速度为10μm/min。

表1 各主要元素含量

2 结果与讨论

如图1所示为奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N原位拉伸试样尺寸图，试样全长为38mm，两定位孔之间的距离为26mm，孔径为Ф5mm，试样中间宽度部分为1.5mm，试样厚度为1mm。在试样长度方向的对称轴位置的单边通过线切割加工一个半径为0.15mm的圆弧预制裂纹，通过两定位孔将试样安装在扫描电镜的动态拉伸卡具上，在动态拉伸观察的过程中，重点选定对圆弧预制裂纹及周围部分进行观察。

图1 原位拉伸试样图

在室温下奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N组织是单一奥氏体组织，如图2所示。晶粒的原始尺寸为100μm左右，呈多边形状，由于护环经历了大量的变形，所以在晶粒内存在大量的滑移线，即奥氏体内存在大量位错、层错等缺陷。

图2 室温下奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N原始组织

图3为原位拉伸过程中的高分辨扫描照片。如图3（a）对应的卡具位移为0mm，图（b）、（c）对应的卡具位移为1.84mm，图（d）、（e）对应的卡具位移为2.00mm，图（f）~（h）对应的卡具位移为2.08mm，图（i）、（j）对应的卡具位移为2.10mm，图（k）、（l）对应的卡具位移为2.13mm。图3（a）显示了未变形试样表面的宏观形貌。从图3（b）可以看出，在拉伸初期，试样的表面比较平滑, 没有晶粒的浮凸现象，在变形的初期，由于形变速率较低，形变比较均匀，只能在晶粒内看到一个方向的滑移带，而其他方向的滑移带比较模糊，说明一组方向的滑移系统占主导地位。随着变形的加剧，可以看到出现新方向的滑移带。图3（c）为材料中固有的微小空洞。从图3（b）~（e）可以看出，首先在预制裂纹附近的个别晶粒内出现大量的滑移线，随着变形量的增大，表面的浮凸现象变得越来越明显, 从最初的只有少数区域的个别晶粒发生塑性变形，到几乎所有晶粒都参与了变形。从图3（f）~（k）可以看出，随着变形量的增加，裂纹在应力集中的位置优先形成，沿两条滑移线界面扩展，由于奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N的室温屈服应力σs0.2很高（达到1200MPa左右）且屈强比很高（0.90以上），因此在变形的大部分时间内裂纹扩展的速率很低，当变形达到临界值时，试样出现突然的断裂，说明该材料的裂纹敏感性很强。

从3图（e）和（f）还可以发现，晶粒内部的滑移线形态分为直线形和波浪形，分别对应单滑移和多滑移。从变形的初期开始，单滑移和多滑移同时进行。由于材料内部塑性变形的不均匀性和不同时性，以及多晶粒协调变形，有些晶粒内的滑移线平直，有些已发生明显的弯曲。变形的后期，试样宽度方向的所有晶粒都参与了变形，由于每个晶粒的原始取向并不一致，因此在切应力的作用下，晶粒发生了扭转，逐渐与拉应力方向平行，晶粒逐渐变为扁平的纤维状，晶粒内部的滑移线急剧地增加。图3（l）为试样断裂后的断口形貌图，可以看出，断口内存在大量的韧窝和微小空洞，材料的韧窝断裂由空穴形核、扩张和汇合造成，断裂形式属于韧性断裂[4]。

如图4为滑移和孪生形貌图。从图4（a）可以看出，两个方向滑移带的夹角在截面上测量大约为40°。根据晶体学理论可知，奥氏体晶粒具有面心立方结构，{111}面为其密排面和滑移面，滑移面之间的夹角为70°32′，由于金相照片系三维晶粒在某一方向上的投影，因此拉伸过程中滑移线的特征基本符合晶体学的位相关系。从图4（b）可以看出，在拉伸过程中出现大量的孪晶，滑移线在孪晶界处出现了弯折。以上结果表明，滑移和孪生是奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在室温下的主要变形机制。

（a）0 mm，（b）1.84mm，（c）1.84mm，（d）2.00m，（e）2.00m，（f）2.08mm，（g）2.08mm，（h）2.08mm，（i）2.10mm，（j）2.10mm，（k）2.13mm，（l）2.13mm

（a）卡具位移为1.84 mm     （b）卡具位移为2.00mm

3 结论

本文利用带有动态拉伸台的高分辨扫描电镜对护环用奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在室温拉伸状态下的裂纹萌生、扩展和断裂进行了观察和研究，结论如下：

（1）奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N在室温下的主要变形机制是滑移和孪生。在变形的初期单滑移和交滑移同时出现。滑移线在孪晶界处出现弯折。

（2）试样的预制裂纹处容易造成应力集中，是微裂纹萌生的主要发源地。试样的断裂机制为韧性断裂。

[1] 何文武. 发电机护环制造关键技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012: 1-4.

[2] 张静武, 荆天辅, 姚枚. 单相fcc金属晶内裂纹萌生与扩展的TEM原位分析[J]. 材料研究学报, 1999, 13(1): 31-35.

[3] 谢敬佩, 祝要民, 李庆春, 等. 中锰钢透射电镜原位拉伸观察[J]. 电子显微学报, 1999, 18(5): 531-535.

[4] 袁志钟, 戴起勋, 程晓农, 等. 高氮奥氏体不锈钢动态拉伸的SEM原位观察[J]. 江苏大学学报, 2003, 24(3): 62-65.

In Situ SEM Study of Dynamic Tensile in Austenitic Stainless Steel 1Mn18Cr18N of Retaining Ring

REN Taolin1,2, WANG Huiting2, WEN Daowei1,2, GAO Xiuling1,2,LI Wenjun1,2, QI Caimeng1,2, HUO Yan1,2

（1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China; 2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China）

The microstructure of austenitic stainless steel 1Mn18Cr18Nof retaining ring during the in situ dynamic tensile using SEM with dynamic tensile gauge were investigated. The results indicate that slide and twin are main plastic deformation mechanisms at ambient temperature. With the process of strain, slip lines are increased and widen and cross slip occurred. Micro-crack which gives rise to stress concentration is taken place around the pre-cracks of samples and leads to fracture.

austenitic stainless steel; dynamic tensile; deformation mechanism

TG 111.7

A

1000-3983(2014)02-0028-04

国家“863”课题（2012AA03A502）先进超超临界火电机组关键叶片和护环钢开发。

2013-08-17

任涛林（1981-），博士研究生，2011年毕业于哈尔滨工业大学材料成形与控制专业，现从事水轮机、水轮发电机和汽轮发电机用材料的研发和应用工作，工程师。

审稿人：过 洁