N08020耐蚀合金的热变形性能研究

高 佩

(1.江苏银环精密钢管有限公司，江苏 宜兴 214203; 2.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013)

N08020(国内为NS143，国外为20Cb- 3)钢是一种Ni- Fe- Cr- Mo- Cu奥氏体耐蚀合金，在硫酸、硝酸、氯化物环境中具有优异的耐腐蚀性能，因而被广泛用于制作处理热硫酸的装置、含氯化物溶液的热交换器、炼油装置、湿法冶金装置等[1- 8]。

N08020合金具有较好的冷、热加工性能。但目前国内外对它的研究主要集中在焊接工艺等方面[1- 5,9- 10]，有关热变形工艺研究的报道较少，特别是在该合金的热模拟方面。本文采用Gleeble- 3500热模拟试验机对锻造态N08020耐蚀合金在900～1 200 ℃以1 s-1的应变速率进行了拉伸试验，以研究温度对N08020耐蚀合金热变形性能的影响，为制定N08020耐蚀合金的热变形工艺提供理论参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用N08020耐蚀合金采用真空感应+电渣重熔工艺冶炼，再锻造成φ105 mm的棒材，化学成分如表1所示。

1.2 热拉伸试验

表1 试验用N08020耐蚀合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the investigated N08020 corrosion resistant alloy (mass fraction) %

沿N08020合金棒料纵向取样，磨抛后采用体积分数为10%的草酸溶液进行电解浸蚀，然后在ZEISS Axiovert 40MAT型显微镜下观察。

沿N08020合金棒材纵向取样，加工8个尺寸为φ10 mm×116 mm的拉伸试样，试样两端螺纹为M10 mm×15 mm。采用Gleeble- 3500热模拟试验机将试样以10 ℃/s加热到900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 175、1 200 ℃，控温精度±1 ℃，保温3 min，再以1 s-1的应变速率拉伸至试样断裂，计算试样的断面收缩率。再用ZEISS EVO18型扫描电镜观察断口形貌，并采用ZEISS Axiovert 40MAT型显微镜检验轴向组织。

2 结果与讨论

2.1 锻态组织及析出相

如图1所示，锻造态N08020合金组织为等轴晶，有较多孪晶，平均晶粒尺寸约为26.07 μm，平均晶粒度约为7.24级。

图1 锻造态N08020合金的显微组织Fig.1 Microstructure of the as- forged N08020 alloy

在扫描电镜下N08020合金棒材的组织形貌如图2(a)所示，可见合金中存在随机分布的灰色方形或多边形析出相及沿纵向分布的白色析出相。能谱分析表明，灰色方形或多边形析出相为(Ti,Nb)(C,N)，白色析出相为富Cr、Mo的碳化物，如图2(b)、2(c)所示。

图2 N08020合金棒材组织的SEM形貌(a)及灰色(b)和白色(c)析出相的能谱分析Fig.2 SEM microstructure (a) and EDS analysis of gray (b) and white (c) precipitated phases in the N08020 alloy bar

2.2 温度对热变形性能的影响

N08020合金的热变形性能随温度的变化如图3所示，由图可见，当拉伸温度为900 ℃时，抗拉强度为404 MPa，随着试验温度的提高，抗拉强度明显下降，当温度提高到1 200 ℃时，抗拉强度最低，为130 MPa； 随着试验温度的提高，合金的断面收缩率先增大后减小，为68.0%～98.5%，具有良好的热塑性，特别是在1 000～1 200 ℃，断面收缩率均大于83.8%，且在1 175 ℃时达到最大值98.5%。

图3 N08020合金的热变形性能随试验温度的变化Fig.3 Hot deformability as a function of test temperatures for the N08020 alloy

2.3 拉伸断口分析

热拉伸试验后N08020合金试样的宏观形貌如图4所示。在900～1 200 ℃热拉伸时， 试样断口处均发生了明显的颈缩， 可见在此温度范围内该合金具有较好的热塑性；试样的颈缩程度随着试验温度的提高而越来越明显，在1 175 ℃拉伸的试样颈缩最明显，热塑性最佳；在1 200 ℃拉伸的试样颈缩稍有减小。N08020合金热拉伸试样断口的宏观形貌随试验温度的变化与热变形性能随温度的变化规律相同。

图4 在不同温度拉伸试验后N08020合金试样的宏观形貌Fig.4 Macrographs of the N08020 alloy specimens after tensile testing at various temperatures

N0802合金试样在900～1 200 ℃拉伸后的断口扫描电镜形貌如图5所示。由图5可知，在900 ℃拉伸的试样断口有较多细小的圆形或椭圆形孔洞和韧窝，随着试验温度的提高而增多、加深，说明塑性越来越好；1 200 ℃拉伸的试样断口孔洞和韧窝数量急剧减少，大部分较平整，塑性下降。

图5 N08020合金试样在不同温度拉伸后的断口宏观形貌Fig.5 Macrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

图6为N08020合金试样在900、1 175和1 200 ℃拉伸后断口的高倍形貌。900 ℃拉伸试样的断口韧窝小而浅，个别韧窝较大，韧性较好；1 175 ℃拉伸试样的断口有许多较深的韧窝，说明在此温度下该合金具有良好的塑性；1 200 ℃拉伸试样的断口发生了局部熔融，导致其热塑性降低。

图6 N08020合金试样在不同温度拉伸后的断口高倍形貌Fig.6 High power micrographs of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

2.4 轴向组织

N08020合金拉伸试样断口处轴向显微组织及动态再结晶体积分数随试验温度的变化如图7、图8所示。由图7可知，在900 ℃拉伸的试样断口处晶粒沿拉伸方向拉长，由于晶粒在原始晶界、孪晶界及析出相等处形核需要的能量较低，因而在这些部位出现了许多细小的再结晶晶粒，呈串状，说明发生了局部动态再结晶，再结晶晶粒平均尺寸约为3.56 μm，平均晶粒度为12.98级，通过软件分析，动态再结晶体积分数约为85.12%。在拉伸过程中，裂纹源首先在细小再结晶晶粒与原始晶粒界面形成，随后在应力作用下扩展并最终断裂；当试验温度提高到950 ℃时，细小再结晶晶粒增多，再结晶晶粒尺寸约为3.69 μm，未明显长大，此时合金基本完全动态再结晶，动态再结晶体积分数约为98.13%；当试验温度进一步提高到1 000 ℃时，合金发生了完全动态再结晶；试验温度继续提高，动态再结晶晶粒缓慢长大，超过1 150 ℃时，再结晶晶粒迅速长大；1 200 ℃时，动态再结晶晶粒平均尺寸约为26.81 μm，晶粒度7.15级，断口出现了铸态组织，如图7所示。

当试验温度达到1 200 ℃时，在热拉伸过程中，S、P等杂质元素的溶解度很小，易向晶界偏聚从而改变晶界成分，降低其熔点，首先在三角晶界处熔化，然后沿晶界扩展，晶粒界面的熔化孔洞连接成熔化块[11]。此外，试验温度越高，晶粒越粗大，晶界总长度越小，单位长度晶界上杂质元素浓度更高，因此发生了局部熔融，热塑性降低。

图7 在不同温度拉伸试验后N08020合金试样断口的轴向显微组织Fig.7 Axial microstructures of fractures of the N08020 alloy specimens after tensile testing at different temperatures

图8 在不同温度拉伸试验后N08020合金试样断口的动态再结晶晶粒的体积分数和尺寸随温度的变化Fig.8 Effect of temperature on volume fraction and size of dynamically recrystallized grains on the N08020 alloy specimen fractures after tensile testing at different temperatures

在900～1 200 ℃以1 s-1的应变速率热拉伸试验时，N08020合金的动态再结晶体积分数随着温度的升高而增大，1 000 ℃拉伸的合金发生了完全动态再结晶，再结晶晶粒随着温度的升高而逐渐增大。与上述热塑性曲线、断口宏观形貌和断口轴向组织结合起来看，对于N08020耐蚀合金，当应变速率为1 s-1时，最佳的热变形温度为1 000～1 175 ℃。

3 结论

(1)在900～1 200 ℃以1 s-1的应变速率进行热拉伸试验时，随着温度的提高，N08020耐蚀合金的抗拉强度逐渐下降，断面收缩率先增大后减小，为68.0%～98.5%，具有良好的热塑性，特别是在1 000～1 200 ℃，断面收缩率大于83.8%，在1 175 ℃时最大，为98.5%，热塑性最佳。

(2)N08020合金在900～1 200 ℃以1 s-1的应变速率进行热拉伸后， 试样断口均有明显的颈缩，其变化趋势与热变形性能随温度的变化规律相同。

(3)N08020耐蚀合金在900 ℃拉伸后，试样断口有较多细小的圆形或椭圆形孔洞和韧窝， 且随着温度的提高而增多、加深，塑性越来越好；1 200 ℃拉伸的试样断口孔洞和韧窝数量急剧减少，断口大部分较平整，塑性下降。

(4)在900～1 200 ℃以1 s-1的应变速率拉伸的试样断口处动态再结晶晶粒的体积分数随着温度的提高而增大，在1 000～1 200 ℃拉伸时，发生了完全动态再结晶。但1 200 ℃拉伸后试样的断口发生了局部熔融，热塑性降低。当应变速率为1 s-1时，N08020耐蚀合金最佳的热变形温度为1 000～1 175 ℃。