中等轧制变形对304不锈钢退火孪晶界及晶粒尺寸的影响

2020-06-08张晓宇夏培培郭晓僵

沈阳理工大学学报 2020年1期

张晓宇，钟军，赵军，夏培培，郭晓僵

(1.北华航天工业学院材料工程学院，河北廊坊 056000；2.中国石油天然气管道科学研究院有限公司，河北廊坊 056000)

304奥氏体不锈钢属于低层错能面心立方结构材料，由于奥氏体组织在一定变形条件下容易诱发马氏体相变，使得钢的塑性和韧性发生明显变化[1-3]。304不锈钢作为核电站关键零部件服役过程面临着晶间腐蚀，而晶界是影响304不锈钢晶间腐蚀失效的重要因素之一[4]。

1984年，Watanabe提出了增加某一类具有低∑CSL(coincidence site lattice)重位点阵晶界(也称特殊晶界)来改善与晶界相关性能的思想[5]，此类思想后来发展为晶界工程。采用晶界工程提高材料耐晶间腐蚀性能的研究已经取得诸多进展，主要适用于具有中低层错能金属，增加其退火孪晶晶界∑3和二次退火孪晶界∑9、∑27一类晶界比例，来提高材料抗腐蚀、抗疲劳、抗蠕变性能[6-8]。

晶界工程采用形变热处理工艺来提高材料的特殊晶界比例，一般可分为两种[9]，一为中等变形冷轧高温短时间退火，如对304不锈钢进行10%～67%轧制后进行1000℃退火5min，低∑CSL晶界比例最高达到62.5%[10]；二是小变形高温长时间退火，如316L不锈钢经5%冷轧后，经高温长时间退火后，特殊晶界比例达到80%以上[11]。

本文针对304不锈钢中等变形对特殊晶界，如退火孪晶界的影响开展研究，为304不锈钢在核电领域应用做理论参考。

1 实验材料及方法

实验所用为10mm厚304不锈钢钢板，化学成分为(质量分数%)：17.50Cr、8.10Ni、0.49Si、0.89Mn、0.047C、0.16Cu、0.028P以及0.0038S。材料首先在1050℃固溶30min，水淬；然后进行15%、20%、25%、30%、35%轧制变形，轧制后试样进行900℃退火2h。所得试样进行表面电解抛光，在配有电子背散射衍射(electron backscatter diffraction，EBSD)附件的Hitachi S-3400扫描电镜上完成晶界特征分布(grain boundary character distribution，GBCD)测定及晶粒尺寸统计。采用Brandon[12]判据进行重位点阵晶界判定。

2 实验结果分析

2.1 轧制变形量对特殊晶界比例的影响

形变热处理是提高材料中的退火孪晶晶界比例的主要工艺方法。变形量的大小是其中最重要的影响因素。图1为∑3晶界比例随变形量增加的变化规律。

图1 不同变形量对∑3晶界比例的影响

从图1可以看出，变形量15%～20%，∑3晶界比例出现小幅度上升，而后随着变形量增加到30%，∑3晶界比例整体呈下降趋势。这表明，在此变形范围内，随着变形量的增加，不利于不锈钢中退火孪晶晶界的形成。在30%变形后，变形量增加反而促进了退火孪晶晶界∑3的生成。

图2为不同变形条件下，一次退火孪晶晶界∑3，二次退火孪晶晶界∑9、∑27及总的CSL晶界比例图。

图2 不同变形量对∑CSL晶界比例的影响

从图2中可以看出，总的CSL晶界比例和∑3晶界比例变化趋势基本一致。这主要由于∑3晶界比例占总的CSL晶界80%以上。由此可知，CSL晶界中主要以一次退火孪晶晶界为主。二次退火孪晶晶界∑9、∑27随着变形量增加变化幅度不大，都低于0.05，并且∑9与∑27变化趋势基本一致。根据Randle[13]提出“∑3再激发模型”，∑3+∑9→∑27，∑27晶界比例更大程度取决于∑9的晶界比例。因此，两者变化规律基本一致。

∑(9+27)/∑3比率可以表征∑3晶界产生∑9和∑27的能力。图3为∑(9+27)/∑3比率随变形量增加变化规律。

图3 ∑(9+27)/∑3比率随变形量变化规律

如图3中所示，20%变形量经900℃退火2h，具有较高的∑(9+27)/∑3比率，达到了0.096。而后增大变形量，∑(9+27)/∑3比率迅速降低。35%量虽然有较高的∑3晶界比例，但∑9、∑27晶界比例却较低。表明变形量增加不利于二次退火孪晶晶界∑9和∑27的形成。

2.2 轧制变形量对晶粒尺寸的影响

图4所示为不同变形量热处理后的平均晶粒尺寸。

图4 不同变形量对平均晶粒尺寸的影响

从图4中可以看出，在15%～30%范围内，随着变形量的增加，平均晶粒尺寸在减少。合金随着变形量增加，经热处理后，基体内再结晶形核点增加，晶粒发生细化。然而，变形量为35%时，平均晶粒尺寸却在增大，这可能在于此变形条件下，合金具有较高的变形存储能，经热处理后，材料发生再结晶并且晶粒长大。

对比变形量为25%和35%，两者晶粒尺寸相近，但∑3晶界比例却相差较大。这可能在于再结晶晶粒细化并不利于退火孪晶∑3的形成。反而在再结晶晶粒长大过程中容易产生退火孪晶晶界。依据Kumar[14]提出应变诱导晶界迁移理论，在晶粒长大过程中，大角度晶界迁移会产生退火孪晶晶界。

根据以上讨论结果可知，Randle等[13]提出∑3再激发会产生高比例的∑9，∑27。而在35%条件下，虽然具有了高比例的∑3，但并未产生高比例的∑9、∑27。根据方晓英等人研究结果[15]，这取决于∑3晶界的共格与非共格，非共格∑3晶界具有较高的晶界能，可以进行迁移活动，共格∑3晶界能量低，不容易迁移。说明非共格∑3晶界是特殊晶界提高的关键因素。

2.3 轧制变形量对微观组织影响

图5为不同变形条件下的EBSD图，图中灰色细线代表退火孪晶晶界，黑色实线代表一般大角度晶界。黑色区域代表奥氏体，白色区域代表马氏体，灰色区域为扫描的盲点。

图5可以看出，晶粒内部存在大量平直共格退火孪晶晶界。随着变形量的增加，再结晶晶粒增多，晶粒细化，晶粒组织不均匀。变形量为25%时，如图5c、图5h基体出现部分马氏体组织，但所占比例较小，仅为0.012，并不影响晶界组织分布。基体以奥氏体组织为主，经轧制热处理后出现再结晶细化组织和长大的晶粒组织，这是由于变形不均匀导致的。就特殊晶界而言，在15%和20%变形量试样中，基体组织中以平直退火孪晶为主，也可以明显看出弯曲态的非共格孪晶晶界，如图5a、图5b箭头所示。之后的变形试样中，很难观察到非共格孪晶晶界。这也解释了特殊晶界比例在15%和20%试样中具有较高比例的原因。然而所测试样中极少观察到∑9、∑27晶界，从图2数据中可以看出，主要是这两类特殊晶界比例较低。