奥氏体不锈钢板片冷拉变形诱发形变马氏体体积分数分析

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(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

试验研究

奥氏体不锈钢板片冷拉变形诱发形变马氏体体积分数分析

孙海生1,2，常春梅1,2，姬平如1,2，郝开开1,2，侯霄艳1,2

(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

板式热交换器传热元件为油压机冷冲压而成的不锈钢波纹板片，奥氏体不锈钢板片冷加工易产生形变马氏体组织导致耐腐蚀性能下降。为便于比较几种不锈钢板片产生形变马氏体体积分数的倾向，对304、304L、321、316L、254SMo几种奥氏体不锈钢板片进行了拉伸试验，测定了不同伸长率下材料的形变马氏体体积分数，随之对拉伸后变形率为20%试样取样制备金相试样观察金相组织并比较分析。

板式热交换器； 奥氏体不锈钢板片； 拉伸试验； 形变马氏体； 金相组织

我国自20世纪80年代开发板式热交换器以来，板式热交换器在石油化工、供热和可再生能源等场合得到了广泛应用[1]。板式热交换器的传热元件多为奥氏体不锈钢板片，300系列奥氏体不锈钢具备优良的耐腐蚀性能和加工性能，多年来一直是板式热交换器传热元件的主流选择。但随着换热介质腐蚀性的不断加强，传统300系列奥氏体不锈钢已经很难满足复杂工况下耐腐蚀性能的要求，近些年来国内外众多钢厂开发出了254SMo超级奥氏体不锈钢和2205双相钢，在处理氯离子质量浓度高(10 000 mg/L)的海水淡化和造纸纸浆废水处理等领域得到了普遍的应用。

厚度为0.6～1.1 mm的奥氏体不锈钢板片通过冷冲压之后形成的波纹板片具有增加湍流流动的作用，进而可以提高板式热交换器的传热系数。奥氏体不锈钢冲压后的波纹板片一般是不经过任何热处理的，由此形成的形变马氏体等组织往往是导致设备过早失效的主要原因之一[2-5]，奥氏体不锈钢中各牌号钢种变形后产生形变马氏体体积分数是否存在差异的课题少有学者进行研究。为了减少腐蚀失效的发生，文中对工业常用5种奥氏体不锈钢板片和1种双相不锈钢在一定速率下进行拉伸试验，并对拉伸变形后奥氏体不锈钢产生形变马氏体体积分数进行了测定，然后取样进行金相组织分析，为指导板式热交换器设计选材与制造质量控制提供一定的理论依据。

1 实验材料简介

实验材料为 5种进口材质的304、304L、321、316L、254SMo奥氏体不锈钢板片及1种2205双相不锈钢，每种实验材料均经固溶退火处理，其中321实验板片规格(长度×宽度×厚度)为400 mm ×400 mm ×0.9 mm，其它实验板片规格(长度×宽度×厚度)为400 mm ×400 mm×0.8 mm 。

拉伸实验取样沿板材轧制方向，金相试样取样观察板厚截面及沿轧制方向。

1.1用途

304、304L、316L奥氏体不锈钢在氯离子质量浓度小于200 mg/L的集中供热领域应用较多，其中304L、316L在焊接过程中晶间碳化物产生量少，避免晶间腐蚀发生，316L在石油化工贫富液(含少量H2S)热交换领域具有典型应用。

321奥氏体不锈钢在温度大于500 ℃的工艺场合可以替代316L，因其在高温下具备更好的高温强度和耐晶间腐蚀的能力，目前在催化重整、异构化大型板壳式热交换器中具备典型应用。

254SMo超级奥氏体不锈钢在氯离子质量浓度达到20 000 mg/L时可以采用，此材料具备优秀的耐点腐蚀能力，目前在造纸水处理和海水淡化领域应用较多。

2205奥氏体-铁素体双相不锈钢目前在H2S含量高的蒸馏塔塔顶冷凝、燃煤电厂低温烟气余热回收领域中应用较多，此材料具备良好的耐应力腐蚀能力。

1.2化学成分

304L是在304材料基础上降低C质量分数，可提高304L的耐晶间腐蚀性能。

321材料是在304材料的基础上增加了Ti元素质量分数，Ti与C的亲和力较Cr与C强，避免碳铬化合物生成导致晶间腐蚀。

316L是在304L材料的基础上增加Mo元素质量分数，进而增加材料的耐点腐蚀能力。

254SMo材料Cr、Ni、Mo元素质量分数较高，相比于316L增加了材料耐腐蚀和耐应力腐蚀的能力。

合理控制2205双相钢中Cr、Ni元素的配比，使材料产生奥氏体-铁素体双相组织，增加材料耐应力腐蚀的能力。

1.3价格

钢材价格一直在不断变化，根据目前市场的调研，如果304价格定为1.0，相比于304,304L的价格比率为1.8，321的价格比率为1.6，316L的价格比率为2.1，254SMo的价格比率为8.0，2205的价格比率为3.5。

2 实验材料化学成分测试

对6种实验材料进行了湿法化学成分测试，对比数值来自ASTM-A240—2007《Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and For General Applications 》(用于通用压力容器铬和铬-镍不锈钢板、薄板和条带标准)[6]，其结果见表1。

从表1中可以看出：

(1)304化学成分测试Ni质量分数稍低于文献[6]下限，但符合ASTM-A480—2010《Standard Specification for General Requirements for Flat-Rolled Stainless and Heat-Resisting Steel Plate, Sheet, and Strip》(平轧不锈钢和耐热钢板材、薄板材和带材一般要求)[7]标准对材料化学成分的偏差要求。

表1 实验用不锈钢板片化学成分及标准规定数值(质量分数) %

(2)321化学成分测试Ni质量分数稍低于文献[6]下限，但符合ASTM-A480对材料化学成分的偏差要求。

(3)304L、316L、254SMo、2205化学成分测试结果也符合ASTM-A240要求。

3 实验材料镍当量计算

据文献[8]报道，不锈钢中的Mn、Ni、Cr、Mo和Cu等合金元素均能使马氏体转变温度Ms降低，导致形变马氏体容易产生，冷变形加工时也可诱发形变马氏体，不锈钢材料在冷变形过程中产生形变马氏体体积分数与材料化学成分中的镍当量值或Ni/Cr比有关，镍当量值按下式计算[9]：

WNi=w(Ni)+0.65w(Cr)+0.98w(Mo)+
1.05w(Mn)+0.35w(Si)+12.6w(C)+
0.03(T-300)-2.3lg[100/(100-R)]-2.9

(1)

式中，T为实验温度，取室温298 K(25 ℃)；R为试样的变形率，文中取0(即不发生变形)。

从式(1)中各元素系数大小可以看出， C元素质量分数对常温下未变形材料的镍当量值影响最大。

据文献[9]报道，合金中的镍当量在25.5%以上时，AISI 304不锈钢在室温下塑性形变不能诱发马氏体相变。但是，镍当量在20.5%～25.5%时，室温下变形就能诱发马氏体相变，镍当量越低，马氏体体积分数越高。

笔者根据所测表1元素质量分数及式(1)计算室温下未变形镍当量值，所绘曲线见图1。图1中水平分界线为不诱发形变马氏体镍当量分界线。

从图1中可知，镍当量由大到小顺序为254SMo、2205、316L、321、304和304L，水平线为室温下不产生形变马氏体界限。254SMo镍当量较高，室温下形变不产生形变马氏体，其余几种材料均

图1 几种不锈钢材质的镍当量值

有产生形变马氏体组织的倾向。2205双相钢为铁素体与奥氏体双相组织，因两相各占一定的比例，在实际冷加工过程中2205双相钢产生的形变马氏体体积分数相比于304L等奥氏体钢少很多[10]。文中主要比较几种奥氏体不锈钢产生形变马氏体体积分数情况。

4 拉伸形变率对形变马氏体体积分数影响

制备奥氏体不锈钢板片试样，规格(长度×宽度)为400 mm×20 mm。

考虑试验拉伸过程中可能存在的伸缩不均，将试样分成几段长为50 mm的研究长度，标出测点位置，在万能试验机上以拉伸速率2 mm/min进行拉伸试验，到预定变形后，用MP30E-S型铁素体测定仪测定标定处的马氏体相体积分数。

国外学者根据铁素体组织与形变马氏体体积分数磁性量强度，将铁素体测量仪测得的当量铁素体量转变为形变马氏体体积分数，关系式如下[11]：

W(α＇)=1.7F

(2)

式中，W(α＇)为形变马氏体体积分数，%；F为铁素体测量仪实际测量的铁素体当量值；1.7为铁素体当量与形变马氏体体积分数根据磁强度不同的转换系数。

笔者根据上述实验结果，获得了5种实验板片材料在不同变形率下产生形变马氏体体积分数的曲线，见图2。

图2 不同变形率下产生形变马氏体含量

从图2中可以看到，虽然原始材料计算304和304L镍当量均在18%左右，但304L随变形率增加产生的形变马氏体体积分数明显高于304，这主要是因为式(1)关于镍当量的计算实际是随着实验环境温度T与变形率R实时变化的，实验过程非常缓慢，可认为环境温度不变，而变形率R是随着拉伸变形逐渐增加的。304L镍当量随变形量增加而降低，进而导致不稳定程度增加，因此较易产生形变马氏体。

文献[12]指出，随着碳质量分数增加，溶入到奥氏体中的碳原子增加，增强奥氏体组织的固溶强化作用，马氏体切变的切变阻力增加，不易形成马氏体，致使304马氏体转变量减少。另外304L材料合金元素质量分数略高于304，合金元素促使Ms转变温度降低也是导致304L形变马氏体体积分数高于304的原因。文献[13]指出，对304和304L两种材料进行形变马氏体体积分数测试，同样发现即使变形量相同，但304L形变马氏体体积分数明显高于304。

笔者得出的结论与文献[13]得出的结论具备一致性，由此看来，对广泛采用304L冷拉变形或冲压制造工艺场合，要引起学者和工程师的关注。304L为超低碳材料，比304材料仅含碳量少些，但从镍当量计算公式可以看到，碳元素对镍当量的影响比较大，含碳量小反而易产生形变马氏体。254SMo即使发生较大变形也不产生任何形变马氏体组织。

5 金相组织分析

5.1形变马氏体产生机理

低镍量奥氏体不锈钢在冷加工过程中，因发生塑性变形奥氏体组织γ先转变为密排六方ε型马氏体组织，随着变形量逐渐增加，ε型马氏体组织进而转变成体心立方α＇型马氏体组织，α＇型马氏体组枳在剪切带交叉处形核，见图3[14]。

图3 304塑性变形产生ε和α＇马氏体组织

通常情况下，当材料堆积层错能低时，发生γ—ε—α＇转变；而当材料堆积层错能高时，可以直接发生γ—α＇转变[15]。当材料变形量达到10%左右时，ε型马氏体组织减少，α＇型马氏体组织增加，完成ε—α＇的转变[16]。

5.2实验板片金相组织

对经过拉伸实验并测定形变马氏体体积分数的试样进行线切割取样，制备金相试样观察形变马氏体体积分数。5种奥氏体不锈钢经20%拉伸变形后的金相微观组织见图4～图8。

图4 304板片拉伸率为20%时的金相组织

图5 304L板片拉伸率为20%时的金相组织

图6 321板片拉伸率为20%时的金相组织

图7 316L板片拉伸率为20%时的金相组织

图8 254SMo板片拉伸率为20%时的金相组织

从图4～图8中可以看到，254SMo晶粒内无任何形变马氏体组织，实际测量也发现无任何形变马氏体产生。在拉伸变形量均为20%时，304L晶粒内有形变马氏体产生，实际测量发现形变马氏体体积分数高达33.60%，而实际测量发现304形变马氏体体积分数仅为1.26%，321和316L形变马氏体体积分数分别为5.84%和0.53%。

此项研究采用了铁素体测量仪和宏观金相表征相结合的方法分析形变马氏体体积分数。对304、304L和254SMo，采用宏观金相法观察金相组织中是否产生形变马氏体是可行的，而对于321和316L还存在一定难度，因两种材料晶粒非常细小，宏观金相法很难观察到晶粒内板条状形变马氏体组织。采用透射电镜虽可观察形变马氏体，但透射电镜仅可观察微区细小尺度，组织不均性会导致测量马氏体体积分数产生较大偏差，后续采用电子背散衍射法[17](EBSD)开展不锈钢冷加工变形诱发形变马氏体体积分数的更深入研究。

6 结论

(1)304L含碳量较低，相比于316L来说镍质量分数也较少。因此，冷变形过程中产生的形变马氏体体积分数较高。

(2)300系列的不锈钢中，316L形变产生的形变马氏体体积分数较少。

(3)254SMo材料在拉伸20%变形后，不产生任何形变马氏体组织。笔者通过研究发现，即使在此材料拉断断口附近取样观察金相组织也未发现任何形变马氏体组织，这与材料本身镍当量值和较高的Ni/Cr比值等固有属性有关，镍质量分数高增强了材料在常温状态下奥氏体组织的稳定性。

(4)实测5种奥氏体不锈钢材料板片拉伸变形产生形变马氏体体积分数由大到小顺序为304L、321、304、316L、254SMo。

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(许编)

AnalysisonAusteniteStainlessSteelPlateColdDeformationInducedDeformationMartensiteContent

SUNHai-sheng1,2,CHANGChun-mei1,2,JIPing-ru1,2,HAOKai-kai1,2,HOUXiao-yan1,2

(1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd., Shanghai 201518, China; 2.Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China)

Plate heat exchanger heat transfer components were made from stainless steel corrugated plates cold stamped by oil press, strain-induced martensite generated in the process of cold working of austenitic stainless steel plate, which led to the decrease of the corrosion resistance. The tendency of producing strain-induced martensite content were compared in several stainless steel plates, and 304, 304L, 321, 316L, 254SMo several kinds of austenitic stainless steel plates were taken as samples to carry out tensile tests in determining the content of deformation martensite material under different elongation. The samples whose tensile deformation rate is 20% were sampled for metallographic specimen, then were observed and analyzed in their metallographic structure.

plate heat exchanger; austenite stainless steel plate; tensile test; strain-induced martensite; metallographic structure

TQ050.1； TE965

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.001

1000-7466(2017)01-0001-06

2016-08-20

孙海生(1986-)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师，硕士，主要从事板式热交换器技术研发工作。