热处理和冷作硬化对不锈钢力学性能的影响

程华旸　赵艳丽　邓话　吕亮亮　李云　张林　张坤

【摘 要】本文研究了不同的热处理温度和冷作硬化加工率对304和316奥氏体不锈钢力学性能的影响，为奥氏体不锈钢的生产提供指导。结果表明：AISI304管材选用加热900℃保温60min热处理和8.3%冷作硬化加工率，AISI316管材选用加热1050℃保温10min热处理和12.5%冷作硬化加工率时，制造的奥氏体不锈钢管拉伸力学性能与国外进口管材拉伸力学性能基本一致。

【关键词】热处理;冷作硬化;奥氏体不锈钢;力学性能

中图分类号： TM30 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）22-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.002

0 概述

奥氏体不锈钢具有足够的强度和韧性以及优异的耐腐蚀和抗辐照损伤性能，使得其具有非常广泛的应用。本文就最常见的AISI304和AISI316两种不锈钢为例，探讨热处理和冷作硬化加工率对力学性能的影响，并与进口不锈钢力学性能进行对比，进而选取出合适的工艺参数范围用来制造生产。

AISI304（0Cr18Ni9）是奥氏体型耐酸不锈钢，用量最大、应用最广，产量占不锈钢总量的30%以上，可以通过冷变形方式提高强度，具有良好的加工能力和低温性能、无磁性、耐酸碱及蒸汽腐蚀。AISI304型不锈钢广泛应用在深冲成型部件及储存耐腐蚀容器、结构件、无磁及低温设备中。AISI316（0Cr17Ni12Mo2）是超低碳型奥氏体不锈钢，无磁、具有良好的塑韧性和冷成型性能、强度优良、耐还原性酸的能力远优于AISI304、耐晶间腐蚀性能良好。广泛应用在合成纤维、纺织、石油、原子能工业用设备。AISI304和AISI316不锈钢化学成分见表1[1]。

1 制造工艺

奥氏体不锈钢管制造工艺流程如图1。

其中的热处理和冷作硬化是生产中关键的步骤，对产品的性能起至关重要的作用，热处理是指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，得到过饱和固溶体的热处理工艺。便于时效时重新析出颗粒细小，分布均匀的碳化物和γ相，同时消除加工产生的应力，使合金发生再结晶，获得适宜的晶粒度，保证合金的强度和塑韧性。冷作硬化是指金属材料在常温下加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移、晶粒被拉长，金属在冷态塑性变形中，冷作硬化会使金属的硬度提高、屈服点和伸长率降低。本文就不同热处理温度和冷作硬化加工率工艺进行研究，以选取合适的工艺参数范围。

2 试验过程

本文就AISI316和AISI304不锈钢进行了不同热处理温度和冷作硬化加工率对力学性能的影响，具体试验过程如下。

2.1 晶粒尺寸对拉伸性能影响

AISI316奥氏体不锈钢，施加相同的冷作硬化加工变形，分别加热到1050℃、950℃、850℃热处理后保温10min，然后以相同冷速冷却下来，金相组织和晶粒度评级结果见图2。钢管的室温力学性能测试结果和延伸率见图3和图4，A50mm代表标距为50mm时的延伸率。

钢管加热后，管材的金相组织均匀，晶界无明显碳化物分布。加热温度由高到低，晶粒尺寸减小，钢管的室温抗拉强度及屈服强度均有一定程度的增大，但钢管延伸率A50mm减小。根据细晶强化理论，金属的晶粒越细，常温下的强度和塑韧性越好，但本实验中的延伸率呈现减小趋势，可见在冷作硬化和温度的综合作用下，奥氏体不锈钢中冷作硬化效果明显大于细晶强化。为保证管材拉伸性能，特别是延伸率A50mm满足要求，管材成品前的热处理晶粒尺寸不宜过小，冷作硬化加工率不应太大。根据前期生产经验初步确定AISI316热处理工艺为加热1000℃保温10min和加热1050℃保温10min。当温度恒定时，保温时间越长，晶粒尺寸也会长大，初步选定AISI304奥氏体不锈钢的热处理工艺为加热900℃保温60min和加热1040℃保温10min。

2.2 冷作硬化加工率对拉伸性能的影响

（1）AISI304管材

将进口的AISI304管材与国产化研究的管材进行拉伸力学性能的对比，不同热处理温度和冷作硬化加工率對AISI304管材拉伸性能和延伸率的影响分别见图5和图6。冷作硬化加工率的选取是按照相关生产经验。其中A50mm代表标距在50mm时的延伸率，a代表的热处理工艺是加热到900℃，保温60min，室温测量晶粒度为8.5级;b代表的热处理工艺是加热到1040℃，保温10min，室温测量晶粒度为5.5级～6.0级，c代表的国外进口材料，进口材料c的A50mm延伸率最小为44%，晶粒度为6.5级。

AISI304管材加热900℃保温60min热处理和加热1040℃保温10min热处理，并经过不同的冷作硬化加工率试验后，与进口材料的拉伸力学性能进行对比，发现经过加热900℃保温60min热处理的管材，其抗拉强度和屈服强度性能优于进口材料c，同时考虑延伸率的要求，在冷作硬化加工率为8.3%时，a工艺管材和进口管材延伸率差值最小。

（2）AISI316管材

将进口的AISI316管材与国产化研究的管材进行拉伸力学性能的对比，不同热处理温度和冷作硬化加工率对AISI316管材拉伸性能和延伸率的影响分别见图7和图8。冷作硬化加工率的选取是按照相关生产经验。其中A50mm代表标距在50mm时的延伸率，d代表的热处理工艺是加热到1000℃，保温10min，室温测量的晶粒度为8.0级;e代表的热处理工艺是加热到1050℃，保温10min，室温测量的晶粒度为6.5级～7.0级，f代表的国外进口材料，进口材料f的A50mm延伸率最小为26%，晶粒度为7.5级。

AISI316管材经加热1000℃保温10min热处理和加热1050℃保温10min热处理，并经过不同的冷作硬化加工率试验后，与进口材料f的拉伸力学性能进行对比，发现选用加热1050℃保温10min热处理，冷作硬化加工率为12.5%时，其抗拉强度和屈服强度及延伸率性能均优于进口材料f。

3 结论

（1）热处理中加热温度高，保温时间长，会导致奥氏体不锈钢晶粒长大，造成奥氏体不锈钢的抗拉强度和屈服强度降低，塑韧性也会降低。

（2）冷作硬化加工带来的加工硬化现象，导致奥氏体不锈钢的延伸率下降。

（3）综合考虑热处理和冷作硬化加工的作用，奥氏体不锈钢中冷作硬化效果明显大于细晶强化，因此为保证管材拉伸性能，特别是延伸率A50mm满足要求，奥氏体不锈钢在制造过程中加热温度不宜过低，冷作硬化加工率不宜过大。

（4）AISI304管材选用加热900℃保温60min，8.3%冷作硬化加工率，AISI316管材选用加热1050℃保温10min热处理和12.5%冷作硬化加工率时，制造的奥氏体不锈钢管其拉伸力学性能与国外进口管材拉伸力学性能基本一致。

【参考文献】

[1]机械工程材料性能数据手册编委会.机械工程材料性能手册.北京：机械工业出版社，1994.415～436，633～642.