冷变形对Sanicro 25奥氏体耐热钢组织和性能的影响

乔吉新，申俊杰，王新宇

(1.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384)

0 引 言

提高火力发电效率是降低能耗和污染的重要手段。目前，我国正在投入使用的火电机组主要以亚临界火电机组和超临界火电机组为主，其蒸汽参数在17.0～25.5 MPa、540～567 ℃之间，发电效率只有38%～41%；而蒸汽参数在30 MPa、600 ℃的超超临界火电机组发电效率可以达到48%，蒸汽参数高至30 MPa、700 ℃的高温超超临界机组发电效率可以提升到57%[1-2]。制约火力发电机组蒸汽参数提升的关键技术是核心高温材料的选择和研制。Sanicro 25钢是瑞典山特维克(Sandvik)公司专门为700 ℃高温超超临界机组开发的一种新型奥氏体耐热钢，具有较高的蠕变强度、较好的组织稳定性、优良的冷加工性能以及优异的抗蒸汽氧化和抗烟气腐蚀性能，常应用于超(超)临界机组过热器/再热器中[3-4]。优良的冷加工性能可以在生产制造高温器件过程中减少材料用量，降低生产成本[5]。但是，冷变形后奥氏体钢的组织形貌、力学性能、织构类型等均会发生变化[6]，并且织构的变化会对力学性能产生明显的影响[7-9]，导致奥氏体钢高温器件难以在机组中长期稳定服役。为解决此问题，作者研究了不同冷变形量对Sanicro 25奥氏体耐热钢显微组织、力学性能和织构演变的影响规律，拟为进一步改善Sanicro 25奥氏体耐热钢性能提供理论指导。

1 试样制备与试验方法

试验材料为Sanicro 25钢管，规格为φ65 mm×10 mm，化学成分见表1。采用线切割沿管长方向切割出长度为220 mm，宽度为30 mm，厚度分别为2.0，2.5，4.0 mm的板状试样，使用双辊冷轧机进行多道次冷轧变形，其中2.0 mm厚试样未变形(变形量为0)，2.5，4.0 mm厚试样的变形量分别为20%，50%。

表1 Sanicro 25钢的化学成分

图1 拉伸试样形状和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

沿轧制方向切割出立方体试样，经机械研磨、抛光、王水腐蚀后，使用OLYMPUS-BX51M型光学显微镜观察显微组织。使用岛津XRD-6100型X射线衍射仪(XRD)对变形试样进行物相分析。立方体试样经机械研磨、电解抛光后，使用Oxford C-nano型扫描电镜应用电子背散射衍射(EBSD)技术进行织构分析。

沿轧制方向取样，制成如图1所示的拉伸试样，拉伸试样厚度为2 mm，标距为80 mm。采用WDW300型万能试验机对试样进行室温拉伸试验，拉伸速度为10 mm·min-1。

2 试验结果与讨论

2.1 冷变形对显微组织的影响

图中RD为轧制方向，TD为垂直于轧制面的法线方向。由图2可以看出，未变形(冷变形量为0)和不同冷变形量试验钢的显微组织均为多边形奥氏体，奥氏体晶内分布有孪晶(箭头所指)，孪晶数量随着冷变形量的增大而增加。

图2 不同冷变形量试验钢的显微组织Fig.2 Microstructures of test steel with different cold deformations

图3中红色为小角度晶界(2°～15°)，灰色为大角度晶界(大于15°)。由图3可以看出：未变形试验钢组织中存在少量的小角度晶界，平均晶粒尺寸为143 μm，且晶内出现少量孪晶；当冷变形量为20%时，小角度晶界数量增加，占比达57.4%，平均晶粒尺寸减小至109 μm，晶粒中孪晶数量增多且孪晶出现部分弯曲变形；当冷变形量为50%时，小角度晶界占比增至85.4%，平均晶粒尺寸进一步减小至76 μm，晶粒细化,晶界模糊并产生更多孪晶。通常可将小角度晶界看成由一系列位错构成，小角度晶界占比提升也就意味着位错密度提升。因此，随着冷变形量的增加，试验钢中位错密度增大。

图3 不同冷变形量试验钢的大/小角度晶界分布Fig.3 Distribution of large/small angle grain boundaries of test steel with different cold deformations

图4 不同冷变形量试验钢的XRD谱Fig.4 XRD patterns of test steel with different cold deformations

2.2 冷变形对物相组成的影响

XRD谱中衍射峰的高低反映了晶粒取向的强弱。由图4可以看出：与未冷变形相比，冷变形后试验钢的XRD谱中未出现新的衍射峰，说明冷变形未导致新相形成，但是γ(111)和γ(200)衍射峰强度减弱，而γ(220)衍射峰强度增大，这是由于在冷变形过程中晶粒取向改变而导致的。

图5 不同冷变形量试验钢的反极图Fig.5 Inverse pole figures of test steel with different cold deformations

2.3 冷变形对织构的影响

图5中的不同颜色代表不同晶粒取向，其中红色代表〈001〉取向，绿色代表〈101〉取向，蓝色代表〈111〉取向。由图5可以看出：未变形试验钢的晶粒取向主要以〈111〉和〈101〉为主，同时存在少量的〈001〉取向；当冷变形量为20%时，试验钢晶粒内部出现渐变色，说明部分晶粒发生塑性变形，反极图z方向上的晶粒取向转向〈001〉，而〈111〉取向的晶粒数量减少，〈101〉取向的晶粒数量基本保持不变，说明晶粒开始沿着RD方向拉长；当冷变形量为50%时，〈101〉取向的晶粒数量增多，〈111〉取向的晶粒数量继续减少，晶粒取向主要以〈101〉和〈001〉为主。由此可见，在冷变形中，试验钢中的〈111〉，〈001〉取向为不稳定取向，随冷变形的进行取向变化比较明显。

通过反极图难以对织构进行定量分析，只能作定性分析。为了对不同冷变形量下的织构进行定量分析，建立了空间结构的多晶体取向分布函数(ODF)。

由图6对比图7[10]可以看出：未变形试验钢在欧拉角φ2=0°的截面上出现Rotated cube{001}〈110〉织构，在φ2=45°截面上出现Goss{110}〈001〉织构；当冷变形量为20%时，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉织构的强度开始减弱，并向新的{110}〈112〉织构和Brass-R{111}〈112〉稳定织构转变；当冷变形量为50%时，Rotated cube{001}〈110〉织构又开始增强，Goss{110}〈001〉和Brass-R{111}〈112〉织构基本消失。这是因为冷变形量的增加导致生成了大量孪晶，孪晶的形成对取向产生影响，使得Goss织构和Brass-R织构的强度降低[11]。

图6 不同冷变形量试验钢的晶粒取向分布函数截面图Fig.6 Cross-sectional view of grain orientation distribution function of test steel with different cold deformations

图7 在φ2=0°和φ2=45°时面心立方晶体织构截面图Fig.7 Cross-sectional view of face-centred cubic crystal texture at φ2=0° and φ2=45°

2.4 冷变形对力学行为的影响

由图8可以看出：随着冷变形量增大，试验钢的屈服强度和抗拉强度提高，断后伸长率下降；硬度随冷变形量的增加而增大，试验钢产生了明显的加工硬化现象，并且随着冷变形量增加硬化速率降低，这与位错密度增加和孪晶的大量出现有关[12-13]；屈强比与硬度的变化趋势相同，且冷变形量为50%时，试验钢的屈强比约等于1。

将试验测得的工程应力-工程应变曲线转换为真应力-真应变曲线(图9)，采用Hollomon模型来描述其加工硬化行为。Hollomon模型表达式为

图8 不同冷变形量试验钢的力学性能Fig.8 Mechanical properties of test steel with different cold deformations: (a) strength and elongation after facture and(b) yield ratio and hardness

图9 不同冷变形量试验钢的真应力-真应变曲线Fig.9 True stress-true strain curves of test steel with different cold deformations

(1)

式中：σ为真应力；ε为真应变；n为加工硬化指数；K为拟合参数。

利用式(1)对真应力-真应变曲线进行非线性拟合，得到冷变形量为0，20%，50%时试验钢的n值分别为0.396，0.306，0.280，K值分别为1 266，1 909，2 499，拟合相关系数均在0.99以上。n决定了金属材料抵抗塑性变形能力，n值越大，抵抗塑性变形能力越强。由此可见，随着冷变形量的增大，试验钢的n减小，抵抗塑性变形能力减弱。

综上所述，冷变形使得Sanicro 25奥氏体耐热钢的织构发生明显变化，从而对宏观力学性能产生显著的影响。随着冷变形量的增大，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉织构强度降低，抗拉强度、屈服强度和硬度增大。

3 结 论

(1) Sanicro 25奥氏体耐热钢原始组织中存在少量孪晶和位错，经冷变形后组织中未产生新相；随着冷变形量的增加，组织中的位错密度增加，孪晶数量增多且出现部分孪晶弯曲现象，当冷变形量为50%时，晶粒细化，晶界模糊。

(2) Sanicro 25钢在反极图z方向上的晶粒取向〈111〉，〈001〉为不稳定取向，未变形时含有Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉织构，当冷变形量为20%时，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉织构逐渐转变为新的{112}〈110〉织构和Brass-R{111}〈112〉稳定织构，当冷变形量为50%时，Rotated cube{001}〈110〉织构又开始增强，Goss{110}〈001〉和Brass-R{111}〈112〉织构基本消失。随着冷变形量增加，Rotated cube{001}〈110〉和Goss{110}〈001〉织构的强度总体呈减弱趋势。

(3) 随冷变形量的增大，Sanicro 25钢的抗拉强度、屈服强度和硬度都逐渐增大，断后伸长率下降，在变形过程中发生了明显的加工硬化；其Hollomon模型中的加工硬化指数随冷变形量增加而减小，加工硬化现象越发明显，抵抗塑性变形能力减弱。