冷轧AISI 304不锈钢微观组织及力学性能的变化

李勇峰，蔡丽安，马利杰，刘贯军

(1.河南科技学院 机电学院，河南 新乡453003；2.上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200234)

冷轧AISI 304不锈钢微观组织及力学性能的变化

李勇峰1，蔡丽安2，马利杰1，刘贯军1

(1.河南科技学院 机电学院，河南 新乡453003；2.上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200234)

采用金相显微镜、铁素体测量仪、硬度计及力学分析等手段，研究了AISI 304不锈钢的微观组织和力学性能在冷轧过程中的演变规律. 试验结果表明：冷轧变形可使AISI 304不锈钢产生形变诱发马氏体相变，试样中金属晶粒沿着轧制方向被拉扁拉长；在冷轧压下量较小时，仅有少量的奥氏体相转变为马氏体相，并且马氏体组织以板条状出现；冷轧压下量较大时，金属晶粒逐渐被拉长为纤维状；随着冷轧压下量的增大，马氏体体积分数、硬度和抗拉强度均随之增大，但延伸率逐步下降.

冷轧；形变马氏体；AISI 304不锈钢；压下量

奥氏体不锈钢具有不锈、无磁等特性以及优良的塑性、韧性等性能，其应用越来越广泛，且在全世界范围内的生产和需求量保持持续增长的态势[1]. AISI 304不锈钢属于亚稳态的奥氏体不锈钢，由于其屈服强度值仅为约200 MPa[2]，强度较低，因此其在结构件中的使用受到了一定程度的限制. 但AISI 304不锈钢具有优异的冷加工性能，通常情况下通过相变强化、加工硬化或细晶强化等措施，可使奥氏体不锈钢得到显著强化[3-5]. 强化后的不锈钢板可广泛用于各种汽车车体、厨房用具、食品工业设备以及压力容器、电子工业等多个领域[6]. AISI 304不锈钢在冷轧过程中将发生形变诱发马氏体相变，使得其屈服强度、伸长率、应变硬化率以及抗拉强度均发生变化[7-8]. 因此，研究这类不锈钢的形变强化规律及其微观组织和力学性能的变化，对扩大奥氏体不锈钢的使用范围有重要意义. 使用领域不同对AISI 304不锈钢冷轧后的性能要求也不同，因此需要根据不同的使用条件，选择对应的最佳冷加工性能. 本文通过研究冷轧AISI 304不锈钢的微观组织和力学性能的演变规律，为现场优化生产提供相应的试验数据和理论指导.

1　试验方法和步骤

试验所用材料为某钢铁公司提供的AISI 304奥氏体不锈钢薄板，其化学成分为：C(0.072%)， Si(0.57%)， Mn(1.43%)， Cr(18.24%)， Ni(8.06%)， Cu(0.07%)， Mo(0.16%)， S(0.008 8%)， P(0.048%)， Fe余量，其中括号内数值为每种成分的质量分数.

试验开始前，为了消除试样内部的残余应力及各向异性，对试样进行(1050±10)℃的热处理，恒温0.5 h 后进行水淬固溶处理. 将热处理后的材料裁剪成100 mm×50 mm×5 mm大小的试样，用该公司的小型轧钢机进行多道次的单向轧制变形，每道次的冷轧压下量约为5%～20%. 通过调整冷轧机，得到5种不同压下量(11.60%， 23.00%， 48.65%，74.00%， 82.95%)的试样. 具体冷轧变形量如表1所示.

表1　不同冷轧变形量的试样Table 1　Specimens of different cold-rolled thickness reduction degrees

利用金相显微镜观察不同压下量冷轧后形变试样的组织形貌. 采用Helmut Fischer GmbH公司生产的MP3C型铁素体测量仪定量测定带有铁磁性的α马氏体相体积分数，测量前需采用标准的铁素体试样进行校准. 采用线切割机将不同压下量条件下的冷轧试样按国标切割成标准拉伸试样，标距l0=50 mm. 然后放在MTS 810.10型试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为5 mm/min，分别测定每种试样的抗拉强度和伸长率. 采用HXD-1000 TM型显微维氏硬度计测量不同压下量冷轧后平行于板材表面的维氏硬度值.

2　结果与讨论

2.1冷轧试样的显微组织观察及马氏体相体积分数的变化

图1所示为AISI 304不锈钢在不同冷轧压下量下轧制变形后的金相纤维组织图. 从图1(a)可以看出，试样在经过固溶处理后，内部均为奥氏体组织. 当压下量为11.60%时，试样中的大部分奥氏体组织仍保持奥氏体相不变，只有极少数的奥氏体组织受冷轧形变影响转为板条状马氏体相. 当压下量继续增大，试样中的形变马氏体量明显增多，由于在冷轧过程中出现形变能，导致晶界变得较粗糙. 当压下量为82.95%时，试样中大部分奥氏体组织受冷轧形变影响诱发为马氏体组织. 从图1还可以看出，随着压下量的增大，试样中各晶粒的滑移方向都向轧制方向转向，逐渐趋于相同的取向，而且晶粒也逐渐被拉扁、拉长，当压下量较大时，晶粒逐渐被拉长为纤维状.

(a) 初始态

(b) 11.60%

(c) 23.00%

(d) 48.65%

(e) 74.00%

(f) 82.95%图1　不同压下量冷轧试样的显微组织Fig.1　Microstructures of cold-rolled specimens under different thickness reduction degree

α马氏体相的体积分数与冷轧压下量的关系曲线如图2所示. 由图2可知，随着冷轧压下量的增大，试样中马氏体体积分数随之增加，当冷轧压下量从0%增大到82.95%时，试样中的马氏体体积分数从0%增大到92%. 这个结果与图1金相显微组织观察的结果一致.

图2　不同压下量对应的马氏体体积分数Fig.2　Volume fraction of martensite under different thickness reduction

2.2冷轧试样的硬度变化

不同冷轧压下量对应的试样表面硬度值如图3所示. 从图3可以看出，试样的硬度值随着冷轧压下量的增加而显著增大. 当试样在固溶处理状态时，其表面硬度值仅为181.32 kg/mm2. 当冷轧压下量为48.65%时，试样表面的硬度值增大到440 kg/mm2. 尤其当冷轧压下量为82.95%时，试样表面的硬度值高达599.73 kg/mm2. 这主要是因为随着变形量的增加，试样内条状马氏体组织显著增多，形变孪晶的数量增多，在冷轧过程中产生相对较硬的形变马氏体，促进了材料硬化程度的提高.

图3　不同冷轧压下量对应的表面硬度Fig.3　Surface hardness under different thickness reduction

2.3冷轧试样抗拉强度、屈服强度和延伸率的变化

AISI 304不锈钢板的屈服强度、抗拉强度以及延伸率随不同冷轧压下量的变化如图4所示.

图4　不同压下量冷轧试样的屈服强度、抗拉强度和延伸率Fig.4　Yield strength, tensile strength and elongation of cold-rolled specimens under different thickness reduction degree

从图4可以看出，随着冷轧压下量的增大，试样的抗拉强度逐步变大，而试样的延伸率(塑性)逐步降低. 试样在固溶处理状态(未冷轧)时，其抗拉强度为713 MPa，屈服强度为285 MPa，延伸率为57.5%，屈强比(屈服强度与抗拉强度之比)约为0.4. 当压下量为48.65%时，冷轧试样的抗拉强度增加到1244.5 MPa，屈服强度增加到1064.09 MPa，屈强比提高到0.85，而延伸率与强度的变化趋势相反，降为13.8%. 随着压下量的增大，屈服强度和抗拉强度增加，但是试样的延伸率明显下降. 当压下量为82.95%时，冷轧试样的抗拉强度和屈服强度分别高达1740.60 和1684.27 MPa，抗拉强度与屈服强度的差值很小，屈强比高达0.97，延伸率降为3.65%. 这些结果表明，通过对AISI 304不锈钢的冷轧变形，可使其抗拉强度和屈服强度得到大幅度强化，但同时其延伸率大大降低. 结合上文研究可知，这主要是因为在冷轧变形过程中，AISI 304不锈钢中大量的奥氏体相诱变为马氏体相，并且使钢中位错密度增加，阻碍位错的进一步运动，因而其变形抗力增大，进而形变强化能力提高，塑性变形能力降低.

3　结　语

冷轧变形可使AISI 304亚稳态奥氏体不锈钢产生形变诱导致马氏体相变，并且相变马氏体体积分数随着冷轧压下量的增加而显著增大. 在冷轧过

程中，试样中金属晶粒沿着轧制方向被拉扁、拉长. 当冷轧压下量较大时，金属晶粒逐渐被拉长为纤维状. 通过冷轧工艺，可使AISI 304不锈钢得到大幅度强化，硬度得到显著提高. 但由于冷轧促使马氏体发生形变，同时会使钢中位错密度增加，阻碍位错的进一步运动，其塑性变形能力降低.

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Evolution of the Microstructure and Mechanical Properties of AISI 304 Stainless Steels in Cold-Rolled

LIYong-feng1,CAILi-an2,MALi-jie1,LIUGuan-jun1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China;2. College of Information, Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Normal University, Shanghai 200235, China)

Evolution of the microstructure and mechanical properties of AISI 304 stainless steels in cold-rolled was investigated by means of metallurgical microscopy, ferrite content measuring instrument, hardness tester and mechanical analysis. The results reveal that deformation-induced martensitic transformation can be produced in AISI 304 stainless steels by cold-rolled, and the metal grains of the specimens are extended and oriented along the rolling direction. When the cold-rolled thickness reduction degree is small, only a very small fraction of the austenite phase is transformed into the martensite phase, and the martensite phase appears in the form of laths. When the cold-rolled thickness reduction degree is large, the metal grains are gradually elongated to be fibrous. With the increase of thickness reduction degree, the volume fraction of martensite, hardness and tensile strength are on rise, but the elongation gradually decreases.

cold-rolled; deformation-induced martensite; AISI 304 stainless steel; thickness reduction degree

1671-0444(2015)04-0518-03

2014-12-10

河南省基础与前沿技术研究资助项目(142300410016)；上海师范大学一般科研资助项目(SK201224)

李勇峰(1979—)，男，河南安阳人，讲师，博士，研究方向为金属材料腐蚀与防护、表面再制造. E-mail：lyf16816800@163.com

TG 142.71

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