热处理对316L不锈钢编织网组织及力学性能的影响

2017-10-23侯力强孟文妍卢文静张小庆白文峰许佩敏

焊接 2017年5期

侯力强孟文妍卢文静张小庆白文峰许佩敏

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(西安菲尔特金属过滤材料有限公司，西安710201)

对316L不锈钢编织网分别进行1 080℃和1 350℃退火处理，将原始状态和退火后丝网的纤维组织、力学性能和断裂方式进行了对比研究。结果表明，丝网经过高温退火处理后晶粒明显增大，搭接点出现了熔合焊接现象，屈服强度和抗拉强度大幅降低，断后伸长率有所提高，宏观断裂方式由正断转变为切断。

热处理不锈钢编织网性能

0 序言

316L不锈钢由于具有良好的耐腐蚀和综合力学性能广泛的应用于化工、石油、电力等领域。常用的316L不锈钢编织网是采用相互垂直排列的金属丝材，在织机上按一定规律交织而成的金属织物，简称金属网。织机有一个重要的部件称为钢筘，金属丝网网面上与网边平行或与钢筘垂直的方向称为经向，经向的金属丝称为经丝，与其垂直方向称为纬向，相应的金属丝称为纬丝。

316L不锈钢编织网通常作为多层金属烧结网的组成部分，经过特殊的叠层压制，在保护性气氛或者真空高温烧结、加压、轧制而成，可应用于如气－固、液－固等多种过滤分离领域［1－3］。由于编织网中丝材通常采用单丝拉拔法制备而成，存在较大的加工硬化现象，导致直径较粗，网面不易直接加工成型。一般采用高温退火工艺消除应力，然后通过高温烧结使细网和粗网间形成焊点，增加结合强度。目前尚未有关于热处理对编织丝网性能的研究报道，文中根据生产常用的退火工艺，研究单层丝网高温退火后组织、力学性能以及断裂方式的变化情况，为生产应用提供参考。

1 试验方法

试验选用孔径为74 μm、丝径为50 μm的316L不锈钢编织平纹网，为多层金属烧结网中的控制层，结构形式如图1所示，化学成分见表1。试验使用真空炉进行退火处理，退火工艺为:升温速率10℃/min，1 080℃和1 350℃分别保温3 h，随炉降温至800℃后采用氩气气淬至室温。将原始状态、1 080℃和1 350℃退火的3种丝网切取3 cm×3 cm的方形试样，用镶样粉对丝网进行镶嵌，在金相砂纸上对截面抛光处理，采用三氯化铁－盐酸水溶液腐蚀3～5 s，冲洗后使用奥林巴斯金相显微镜进行晶粒组织观察。

图1 316L不锈钢编织平纹网

表1 316L不锈钢化学成分(质量分数，%)

由于丝网的厚度小于0．1 mm，没有可供参考的国标，为保证足够的平行长度，拉伸试样尺寸统一为15 cm×3 cm(经向×纬向)的非标准矩形试样，用万能拉伸试验机进行经向拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min，采用扫描电子显微镜对拉伸断口形貌进行观察。

2 结果与分析

2．1 组织观察

图2为316L不锈钢编织网原始状态、1 080℃和1 350℃退火后截面金相组织。图2a可以看出由于丝材采用拉拔工艺制备而成，原始丝网的晶粒细小，边界不规则，晶粒尺寸在5～10 μm之间，原始丝网采用物理编织方法加工而成，经线和纬线的接触面属于简单的物理搭接;图2b为原始丝网经过1 080℃退火后的组织形貌，相比于原始组织，退火后丝网的晶粒出现明显长大，整个圆形截面几乎为单一的晶粒，平均晶粒尺寸大于20 μm，从长丝的截面可以看出晶粒边界规则，内部有岛状碳化物析出，属于等轴状奥氏体组织，由于高温使得原子扩散加剧，经线和纬线搭接点处的细小晶粒经过吞并－融合的方式长大为尺寸粗大的单一晶粒，在接触面形成焊接点将经纬线连接起来;图2c为经过1 350℃退火后丝网晶粒更加粗大，晶粒内部孪晶相对明显，如图2c所示，晶粒内部的碳化物由于高温固溶而消失，经纬线搭接处的接触面积变大。

图2 丝网剖面组织

2．2 拉伸结果

沿经向对3种丝网进行拉伸试验，得到单位宽度下的屈服强度和抗拉强度及最大负荷下的断后伸长率等力学性能指标，试验结果见表2。设试验在某一伸长率下的拉伸力为 R，有效宽度为 b(文中试验 b=3 mm)，得到单位宽度不同退火温度下丝网的拉伸力Rb=R/b和断后伸长率A的关系曲线如图3所示。

表2 3种丝网拉伸试验结果

图3 不同退火温度下丝网的拉伸曲线

由于原始丝网晶粒尺寸d相对较小且丝材受加工硬化的作用，根据霍尔－佩奇公式:

式中，ReL为屈服强度;R为单个位错移动时的阻力;κ为常数;d为平均晶粒尺寸。原始状态的屈服强度和抗拉强度分别为65 N·mm－1和91 N·mm－1，远高于经过高温退火的丝网，但丝材的拉伸力在到达最高点后骤降为零，即出现了瞬断现象，这是由于经向丝材几乎同时断裂所致。

丝网经过1 080℃高温退火处理后，由于原始加工硬化的消除和晶粒成倍的长大，拉伸强度比原始丝网有了大幅度的降低，并且拉伸变形集中在粗大的晶粒内进行，相应每个晶粒中塞积的位错相对变多，应力集中引起的开裂使得丝材在断裂之前承受的变形量减小，导致最大载荷处的断后伸长率相比于原始丝网(断后伸长率为16．36%)增加量较少，只有19．43%，但裂纹产生后经历了大约3%的变形后才完全断裂，没有发生丝材的瞬断。随着退火温度升高，丝网的抗拉强度和屈服强度稍有下降，断后伸长率有所增加。

2．3 拉伸断口形貌

通过对3种丝网拉伸断口进行SEM观察，断口形貌如图4～6所示。由图4a可以看出，原始丝网宏观断口平直，属于正断，类似于实体材料中的脆断，和拉伸试验中应力“跌落”现象一致;原始状态的微观断口如图4b所示，断口由长短交替规则排列的经丝组成，类似于实体材质中锯齿状断口，由于丝材加工硬化程度较高，断丝没有发生明显的颈缩，这种断口形貌可以用裂纹偏转(Crack deflection)来解释［4］:当主裂纹的扩展在某一方向传播时由于各种原因在前方路径上产生了较大的阻力发生路径偏转或出现分支，向更易产生裂纹的方向扩展，而正应力方向决定了裂纹扩展路径回到主裂纹方向。通过对断裂点和相邻垂直方向上的纬丝距离进行测量发现，短丝的距离与相邻经纬丝材搭接点的距离相同(大约120 μm)，而长丝由于塑性变形相对较大，长度为短丝长度的两倍多一点，同样属于经纬搭接点。由此可以推断出原始丝网断裂的位置属于经线和纬线的搭接处。这是因为在变形过程中，主拉力方向的经丝首先倾向变直，搭接处的经丝会受到另一纬丝的挤压，正是由于拉力和垂直方向压力的共同作用导致搭接点位置出现断裂，而起始搭接点断裂后，例如图4b中的A点，使得垂直方向临近搭接B点的经丝受纬丝垂直方向的压力减小，因而不发生断裂，而下一个断裂位置会在受力较大的搭接C或D点产生，相当于发生裂纹偏转。

当丝网经过1 080℃退火处理后，断口宏观形貌由正断转变为近似切断且断口不连续，如图5a所示。经过放大观察(图5b)发现，断口处经丝发生了颈缩，这是由于高温退火消除加工硬化，从而提高了塑性。不同于原始丝网断裂方式，退火后拉伸丝网的搭接处由于高温原子扩散产生焊点，焊点的强度高于单根丝材，从而使裂纹在某个断面内的相邻纬丝内进行扩展，终止于搭接处的焊点，继而转向切应力方向的其他位置。随着退火温度升高，断裂方式和之前类似，1 350℃退火处理的丝网断口形貌如图6所示。