新型SP2215奥氏体耐热钢的室温变形行为

宋 利

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司中南电力试验研究院，郑州 450000)

0 引 言

SP2215钢是北京科技大学最新研制的复合强化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢；该钢通过合理配比碳、氮、铌、铜等多种强化元素实现纳米级Nb(C、N)型MX相、NbCrN相和富铜相的时效析出，从而达到多相复合强化效果。SP2215钢加工性能良好，与HR3C钢相比，其铬、镍含量稍低，这一方面提高了经济效益，另一方面克服了HR3C钢在高温长时间时效后韧性降低的缺点，预计未来在电力行业将得到广泛应用[1-5]。

在用作电力行业锅炉的受热面管时，奥氏体耐热钢管要经历弯曲、拉拔、扩口等冷加工过程，产生的冷加工变形将会导致组织和性能发生改变。例如：TP347H、TP304和316L等奥氏体耐热钢在冷变形后因形成形变诱导马氏体而出现加工硬化现象，这一方面可能导致管子在冷加工后出现裂纹，另一方面形成的形变诱导马氏体使管子产生磁性，对管内氧化皮的检测产生不利影响[6-7]。SP2215钢目前尚处于推广应用阶段，相关研究集中在力学性能、焊接性能、高温持久性能和组织稳定性等方面，对于其冷变形行为的研究报道较少；而研究其在冷加工变形后的组织和性能变化，可以为冷轧钢管的制备和冷加工提供基本数据，有利于其使用及推广。为此，作者对SP2215钢的成品钢管分别在室温下进行了拉伸、压缩和弯曲试验，分析了其变形行为。

1 试样制备与试验方法

试验材料为由永兴特种材料科技股份有限公司冶炼、江苏武进不锈股份有限公司制管的SP2215钢管，钢管炉号为1504-040，批号为BDG1508-118，规格为φ50.8 mm×9.53 mm，适用标准为T/CISA 006-2019《电站锅炉用新型奥氏体耐热钢无缝钢管》。使用ARL iSpark8860型直读光谱仪测定其化学成分，如表1所示，化学成分满足标准要求。在钢管上取样，经磨抛，用FeCl3盐酸水溶液腐蚀后，使用Axio Obersver 3m型光学显微镜观察显微组织。由图1可见，SP2215钢管组织为典型奥氏体组织，平直的孪晶界清晰可见，晶内有第二相析出。

表1 SP2215钢管的化学成分Table 1 Chemical composition of SP2215 steel pipe %

图1 SP2215钢管的显微组织Fig.1 Microstructure of SP2215 steel pipe

分别按照GB/T 7314-2005，GB/T 232-2010，GB/T 228.1-2010，在钢管上沿轴向线切割出压缩、弯曲和拉伸试样。压缩试样为圆柱形，直径为9.6 mm，高度为9.6 mm；弯曲试样为全壁厚试样，长度为200 mm，宽度为22 mm；拉伸试样尺寸见图2，也是全壁厚试样，平行段长度为80 mm，宽度为15 mm。

图2 拉伸试样尺寸Fig.2 Dimension of tensile specimen

使用UTM5305HA型电子万能试验机在室温下分别进行压缩、拉伸和弯曲变形试验。压缩变形量分别为10%，20%，30%，40%，50%，下压速度为1 mm·min-1；拉伸变形量分别为10%，20%，30%，40%，拉伸速度为1 mm·min-1；弯曲试验时的弯曲角度分别为20°，40°，60°，80°，100°，120°，140°，160°，180°，弯曲速率为10 (°)·min-1。以上3种试验的最大变形量均接近于材料在对应试验条件下发生破坏的最大变形量。沿变形方向从中间将变形后的试样剖开，在剖面上取样进行组织和性能检测。使用Rigaku Smart LAB 3型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，采用钨靶，X射线光源，在3°～20°角度范围扫查。金相试样经磨抛，用FeCl3盐酸水溶液腐蚀后，在Axio Obersver 3m型光学显微镜上观察显微组织。采用HV-1000A型显微硬度计进行硬度测试，载荷为9.8 N，保载时间为10 s，在变形最大处取点测试，测10个点取最大值。

使用UTM5305HA型电子万能试验机对拉伸变形10%～40%的试样再次进行拉伸试验以测定其强度指标。

2 试验结果与讨论

2.1 室温变形后的物相组成

由图3可以看出，在3种变形方式下达到最大变形量时SP2215钢的XRD谱中均只出现了γ-Fe的衍射峰，未出现α-Fe的衍射峰，表明SP2215钢在室温变形过程中不会产生形变诱导马氏体。由奥氏体钢相变临界点经验公式[8]计算得到SP2215奥氏体耐热钢的马氏体相变临界点温度为-347.502 ℃，可见室温下变形达不到马氏体相变的热力学条件[9]。但是，在室温变形过程中有可能会发生形变诱导马氏体相变[10]，其影响因素包括恰当的变形量、低的层错能以及镍当量处于诱发马氏体相变的范围。

图3 室温下不同条件变形后SP2215钢的XRD谱Fig.3 XRD patterns of SP2215 steel after deformation under different conditions at room temperature: (a) 50% compression deformation; (b) 40% tensile deformation and (c) 180° bending angle

SP2215奥氏体耐热钢的室温层错能和镍当量计算公式[11]分别为

γ=-53+6.2w(Ni)+0.7w(Cr)+

3.2w(Mn)+9.3w(Mo)

(1)

weq(Ni)=w(Ni)+0.65w(Cr)+0.98w(Mo)+

1.05w(Mn)+0.35w(Si)+12.60w(C)+

(2)

式中:γ为室温奥氏体层错能，MJ·m-2；w为质量分数，%；T为热力学温度，K；R为变形量，%。

由式(1)和式(2)计算得到SP2215奥氏体耐热钢的室温层错能为61.47 MJ·m-2，达到试验设置的最大变形量时镍当量为28.01%。可见该钢室温层错能较高，组织稳定性好[12]，能抑制马氏体相变[13]；镍当量也高于室温诱发马氏体相变的范围(20.5%～25.5%)[12-14]。综上可知，SP2215钢的奥氏体组织稳定性高，室温变形不会形成形变诱导马氏体。

2.2 室温变形后的显微组织

由图4可以看出：室温下经20%变形量压缩变形后，SP2215钢的显微组织与未变形显微组织(见图1)相同，为典型奥氏体组织，孪晶界平直，晶内有第二相析出；当变形量增至30%时，少量晶粒内部出现滑移带，呈现直线形的单滑移和波浪形的多滑移特征；当变形量增加至40%时，晶粒拉长，大部分晶粒出现滑移现象；当变形量达到50%时，晶粒拉长变形严重，几乎所有晶粒都出现滑移现象。

图4 室温下不同变形量压缩后SP2215钢的显微组织Fig.4 Microstructures of SP2215 steel after compression with different deformations at room temperature

由图5可以看出：室温下经10%变形量拉伸变形后，SP2215钢的显微组织相比于未变形组织变化不明显；当变形量增至20%时，极少量晶粒内部出现滑移带，呈直线形的单滑移形貌；当变形量达到30%，40%时，大部分晶粒都出现滑移现象，并以交滑移为主。

图5 室温下不同变形量拉伸后SP2215钢的显微组织Fig.5 Microstructures of SP2215 steel after tension with different deformations at room temperature

由图6可以看出：室温下经20°弯曲变形后，SP2215钢的显微组织相比于未变形组织变化不大；当弯曲角度达到40°时，晶粒内部出现滑移带，呈现直线形的单滑移和波浪形的多滑移特征；当弯曲角度达到100°～180°时，SP2215钢的塑性变形以多滑移和交滑移为主。

图6 室温下不同角度弯曲变形后SP2215钢的显微组织Fig.6 Microstructures of SP2215 steel after bending deformation with different angles at room temperature

综上：SP2215钢在室温变形过程中主要发生位错滑移。当变形量较小时，位错滑移以单滑移为主，个别晶粒内部发生变形，滑移由晶界向晶粒内部延伸；在变形量较大时，参与变形的晶粒数量急剧增多，滑移贯穿整个晶粒，出现相交的滑移线，交滑移也逐渐贯穿整个晶粒，滑移线穿过相邻晶粒。因此，可以通过位错-位错、位错-层错等之间的交互作用阻碍位错滑移，从而提高SP2215钢的强度。

2.3 室温变形后的显微硬度

由图7可知：SP2215钢的显微硬度随着变形量的增加先快速增大，在压缩和拉伸变形量达到20%或弯曲角度达到60°时到达拐点，显微硬度随变形量增大的速度变缓。SP2215钢显微硬度随变形量的变化规律与王俊北[7]研究得到的316LN奥氏体不锈钢的变形规律一致。拐点的出现与室温下变形达到某一量后位错密度的下降有关[15]。较大变形量下钢中发生交滑移，导致加工硬化效果变弱，硬度增加变缓[7]。在相同变形量下，压缩变形后SP2215钢的硬度明显高于拉伸变形后。

图7 室温下不同条件变形后SP2215钢的显微硬度Fig.7 Microhardness of SP2215 steel after deformation under different conditions at room temperature: (a) compression and tension deformation and (b) bending deformation

2.4 不同变形量拉伸变形后的拉伸性能

由图8可以看出：SP2215钢的抗拉强度和屈服强度均随着变形量的增加而增大，当变形量达到30%时，屈服强度与抗拉强度几乎相等；断后伸长率随着变形量的增大逐渐减小。SP2215钢经室温拉伸变形后的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率随变形量的变化规律与304奥氏体不锈钢[6]和316LN奥氏体不锈钢[7]相似。

图8 未变形和不同变形量室温拉伸后SP2215钢试样的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of SP2215 steel samples unstretched and stretched with different deformations at room temperature: (a) relationship between strength and deformation and (b) relationship between elongation after fracture and deformation

材料开始屈服后，继续变形将产生加工硬化；加工硬化程度可由加工硬化指数进行表征，其计算公式[16-17]为

(3)

式中：n为加工硬化指数；K为强度系数，取0.12；σy为屈服强度，MPa。

将K和不同变形量拉伸变形SP2215钢的屈服强度代入式(3)，计算得到不同变形量下的加工硬化指数，绘制变形量和加工硬化指数的关系曲线。由图9可知，随着变形量的增加，SP2215钢的加工硬化指数增大，说明加工硬化程度增强[18]。这应是由于位错塞积对位错运动的阻碍作用增强而导致的。综上，随着变形量的增大，SP2215钢的加工硬化加剧，因此断后伸长率下降，屈服强度急剧升高。形变硬化是提高材料强度的重要方法，未变形SP2215奥氏体耐热钢的屈服强度不高，通过室温变形可以实现屈服强度的成倍提升。

图9 SP2215钢拉伸变形量与加工硬化指数的关系Fig.9 Relationship between tensile deformation and work hardening index of SP2215 steel

3 结 论

(1) SP2215奥氏体耐热钢的奥氏体组织稳定性高，在室温变形过程中无形变诱导马氏体产生；不同变形量变形后，晶粒中出现滑移带，并且随着变形量的增加，滑移带出现多种形态并且数量变多，说明SP2215奥氏体耐热钢中位错滑移始终参与变形。

(2) 随着变形量的增加，SP2215钢的显微硬度先快速增大后增速变缓，抗拉强度和屈服强度增大，断后伸长率减小；当拉伸变形量达到30%时，屈服强度增大至与抗拉强度几乎相等。

(3) 变形SP2215钢的加工硬化指数随变形量的增加而增大，这导致强度的增加和断后伸长率的减小；室温变形可以提高其抗拉强度，成倍提高其屈服强度。