盐水冷却对S36950不锈钢力学性能的影响

张铮,黄晓明,余鑫

(1. 福建理工大学 土木工程学院,福建 福州 350118;2. 福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108)

不锈钢因耐腐蚀性好、力学性能优良及全寿命周期成本低等优点,逐渐应用于服役环境严苛的各工程结构[1]。鉴于其非线性特征,国内外学者针对其常温下力学性能开展了大量研究并提出了适用的应力-应变关系模型[2-3]。高温下不锈钢力学性能的研究表明,不锈钢较碳钢具有更好的耐火性能[4]。Tao等[5]发现奥氏体不锈钢高温后的塑性和强度优于碳钢,并提出了其高温后的应力-应变关系模型。

Ni是稳定不锈钢中奥氏体组织的重要元素并可改善其耐腐蚀性和韧性,但昂贵的Ni增加了不锈钢成本。以N代替Ni在稳定不锈钢奥氏体组织的同时,还可提高其强度与耐腐蚀性[6]。奥氏体不锈钢S36950作为一种新型高N节Ni钢,在不降低相关性能的前提下大幅提高了钢材强度并有效降低了成本[7]。然而高N节Ni易导致不锈钢中奥氏体晶粒尺寸增加并降低其热塑性[8]。既有研究发现浸水冷却较自然冷却方式对S36950不锈钢的高温后强度影响较大[9]。

不锈钢多应用于滨海或离岸海洋环境,遭遇火灾时往往就近取海水灭火,海水中的氯离子是否对火灾后不锈钢造成复合损伤尚不明确。同时在炼油、航空航天和能源等领域,对钢材的高温稳定性和耐久性要求较高,研究盐水冷却的效果可以帮助改进材料的选择和冷却系统的设计。鉴于此,本文以S36950不锈钢为研究对象,对比S30408不锈钢以探究盐水冷却方式对高温后S36950不锈钢力学性能的影响,并分析既有高温后不锈钢应力-应变关系模型的适用性,以期为不锈钢的实际应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件制作

选用奥氏体不锈钢S36950和S30408制作拉伸试件,两类不锈钢均取自热轧酸洗后的4 mm厚不锈钢板且均沿钢板轧制方向以线切割取件,其化学成分列于表1。由表1可见,S36950不锈钢的Cr含量与S30408不锈钢相当,但显著降低了Ni含量,同时Mn、Cu及N元素的增加不仅稳定了S36950不锈钢的奥氏体组织,还提高了强度及耐酸蚀能力。

表1 S36950与S30408不锈钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of S36950 and S30408 stainless steel

试件尺寸按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验:第1部分:室温试验方法》[10]中相关规定设计,尺寸如图1所示。根据试验设计的历受温度,两类钢材的拉伸试件均被分为9个温度组,每组设置3个平行试件,总计54个。

图1 拉伸试件尺寸(单位:mm)Fig.1 Dimensions of tensile test piece (unit: mm)

1.2 试验过程

采用马弗炉对试件进行升温试验。温度设置分别为400、500、600、650、700、800、1 000及1 200 ℃。试件以20 ℃/min的速率升温至指定温度,并在炉内保温120 min以均匀受热。随后将试件移入w氯化钠为5%的水中冷却30 min至室温后取出,晾干并放置14 d,观察试件的表观特征变化情况。

采用SANS万能试验机进行拉伸试验,试件平直段设置电阻应变片(纵横各2片)及初始标距为50 mm的引伸计以测量试件在加载过程中的应变及纵向相对变形。加载采用位移控制,前期以1 mm/min的速率加载至0.02应变,后以4 mm/min的速率加载直至试件断裂。

2 试验结果

2.1 表观特征

图2对比了两类不锈钢试件经盐水冷却并于室温静置14 d后的表观特征。随着历受温度的提高,两类试件的表观颜色逐渐由金色转为褐色并加深,且均在1 000 ℃高温后出现了不同程度的表面碳化现象,这是因为不锈钢表面的Si、Mn、Cr等元素在高温下发生了不同程度的氧化。同时可见两类不锈钢试件表面均发生了局部腐蚀,且局部腐蚀范围随历受温度提高而扩大。对比两类不锈钢发现S30408不锈钢在650～800 ℃温度区间腐蚀更严重,这是因为在该温度段易发生敏化,不锈钢内Cr碳化物的析出会导致晶界处的Cr元素减少进而降低晶界处的耐蚀性能。而S36950不锈钢中高含量的N元素抑制了Cr碳化物的形核进而改善了耐蚀性能[7]。

图2 盐水冷却的高温后试件表观特征Fig.2 Appearance characteristics of specimens after high temperatures with brine cooling

2.2 断口形貌

两类不锈钢的断口形态没有明显区别,如图3所示。断裂后试件的塑性变形与断口缩颈明显,属于典型的韧性断裂。韧性断裂根据断口的形状可分为杯锥状与剪切滑移型断口,而杯锥状断口在其形成过程中能吸收较多的能量所以韧性更高;盐水冷却的高温后试件的韧性断裂性能随历受温度提高而逐渐减弱。在1 000 ℃前两类不锈钢均表现为杯锥状破坏,而历受1 200 ℃高温后试件碳化严重导致断口表现为剪切状。在相同历受温度下对比同类不锈钢拉伸试件的断口特征发现盐水冷却对断口形态没有明显影响[9]。

图3 两类不锈钢拉伸试件的断裂状态Fig.3 Fractures of tensile test pieces for two types of stainless steel

2.3 高温后应力-应变关系曲线

图4给出了两类不锈钢典型的高温后应力-应变关系曲线,其中应变由应变片与引伸计数据综合确定。可见盐水冷却的两类不锈钢高温后应力-应变关系曲线仍呈现出典型的非线性特征,但是其曲线形状、强度及延伸率等随历受温度升高而变化。800 ℃前S36950不锈钢的应力-应变关系曲线较为接近,而S30408不锈钢的曲线则在600 ℃前变化不大。但S30408不锈钢应力-应变曲线在0.1～0.3的应变范围内存在一段明显的塑性波动,而文献报道的同类不锈钢普通水冷的高温后试件并未出现此类现象[11]。这可能是因为盐水中氯离子的侵蚀作用导致高温后不锈钢晶粒间位错堆积[7]。1 000 ℃后两类不锈钢均出现了强度降低与断裂应变增大的现象。

图4 高温后不锈钢的应力-应变关系曲线Fig.4 Stress-strain curves of stainless steel after high temperature exposure

2.4 高温后的力学性能变化

根据高温后应力-应变关系曲线可获得不锈钢各力学性能指标,平均值列于表2。其中T是历受温度、ET为弹性模量、fyT为钢材0.002残余应变时应力作为屈服强度、δT为断后伸长率、nT为应变硬化系数、fuT和εuT分别为极限强度和对应的极限应变。20℃时的S36950不锈钢的屈服强度约为S30408不锈钢的1.3倍。为探究盐水冷却对高温后S36950不锈钢力学性能的影响,引用文献报道的高温后浸水冷却的S36950不锈钢[9]与S30408不锈钢[11]的试验结果进行对比分析。

表2 高温盐水冷却后不锈钢力学性能Tab.2 Mechanical properties of stainless steel after high temperature with brine cooling

2.4.1 弹性模量

各类不锈钢高温后弹性模量(ET)与其20 ℃时弹性模量(E20)的比值随历受温度的变化情况如图5所示。高温后S36950与S30408两类不锈钢的弹性模量随历受温度的升高而略有降低。而盐水冷却的两类不锈钢高温后弹性模量在600～800 ℃的历受温度区间出现了明显的下降,采用普通水冷的不锈钢未出现此现象。这是因为不锈钢在该温度区间的“敏化”效应,敏化容易导致不锈钢晶界处析出以Cr23C6为主的碳化物进而降低不锈钢的耐腐蚀性[7],使得盐水冷却后不锈钢在该温度区段因腐蚀而导致弹性模量出现下降。对比盐水冷却的两类不锈钢,可见在“敏化”效应作用温度区间内,S36950表现出更大的弹性模量降低幅度。这是因为Cr2N的析出敏感性随着N元素的增加而增加[12],从而导致S36950的弹性模量较S30408下降幅度更大。

图5 ET/E20随历受温度T变化情况Fig.5 Variation of ET/E20 with the temperature T

2.4.2 屈服强度

图6对比了各类不锈钢高温后屈服强度(fyT)与20 ℃时屈服强度(fy20)的比值随历受温度的变化情况。可见盐水冷却后S30408不锈钢屈服强度的折减幅度要高于S36950不锈钢,这归因于高温后S36950不锈钢晶界有氮化物析出进而阻碍了晶界的相对滑动,从而在一定程度上提高了不锈钢的屈服强度[8]。特别是S36950不锈钢的屈服强度在800 ℃高温后有所恢复,这是因为该类不锈钢因敏化所致的晶间腐蚀敏感性在800 ℃时明显降低使得其力学性能有所恢复[7]。对比冷却方式发现盐水冷却对其屈服强度的影响更不利,采用盐水冷却的两类不锈钢,在600 ℃高温后的屈服强度下降幅度要高于采用普通水冷的相应钢种。这是因为高温后不锈钢的晶粒有所增大且晶界有相应碳化物析出,更易受盐水中氯离子的腐蚀进而降低其力学性能。

图6 fyT/fy20随历受温度T变化情况Fig.6 Variation of fyT/fy20 with the temperature T

2.4.3 极限强度

各类不锈钢高温后抗拉极限强度(fuT)与20 ℃时极限强度(fu20)的比值随历受温度的变化情况如图7所示。当历受温度低于800 ℃,普通水与盐水冷却对两类不锈钢极限强度的影响不大,但当历受温度超过800 ℃时,采用盐水冷却的不锈钢其极限强度的折减幅度明显增大。特别是采用盐水冷却的S36950不锈钢在历受温度超过800 ℃后,其极限强度下降幅度较S30408显著,这是因为二者Ni元素含量的差异导致金属原子间结合力不同,以及N元素的晶粒尺寸强化作用随历受温度升高而减弱[7]。

图7 fuT/fu20随历受温度T变化情况Fig.7 Variation of fuT/fu20 with the temperature T

2.4.4 延伸率

高温后各类不锈钢的延伸率(δT)与其20 ℃时延伸率(δ20)的比值随历受温度的变化情况如图8所示。与普通水冷却不同,采用盐水冷却的两类不锈钢在其“敏化”温度段的延伸率出现了较明显的波动,这是因为敏化效应导致不锈钢形成晶间贫Cr区进而使得其塑性下降[6]。同时盐水冷却的两类不锈钢延伸率在1 000 ℃高温后均呈现出明显的提高。这是因为1 000 ℃高温已脱离不锈钢的敏化温度段使得塑性有所恢复,但1 000 ℃后随着温度再升高导致不锈钢碳化严重使得延伸率又有所下降。对比盐水冷却后两类不锈钢高温后延伸率的变化情况可以发现,历受温度低于600 ℃时,S30408的高温后延伸率高于S36950不锈钢,但当历受温度超过600 ℃后,S36950不锈钢的延伸率要优于S30408。这是因为S36950不锈钢中添加的Mn元素对其高温后塑性有明显的改善作用[13]。

图8 δT/δ20随历受温度T变化情况Fig.8 Variation of δT/δ20 with temperature T

3 高温后应力-应变关系模型

Tao等[5]提出了具有峰值后下降段的高温后不锈钢应力-应变关系模型(下文简称Tao模型),模型的应力-应变关系如下:

(1)

式(1)中:ET为弹性模量,GPa;fyT为屈服强度,MPa;fuT为极限强度,MPa;εuT为极限应变;nT为应变硬化系数。由于盐水冷却对高温后S36950不锈钢的弹性模量影响不大,如图9(a)所示,可沿用Tao模型的相关推荐公式。同时由图9(b-e)可知Tao模型对800 ℃高温前S36950不锈钢的fyT、fuT、εuT及nT的预测较为准确,而对其800 ℃高温后的预测误差较大。

图9 模型参数修正Fig.9 Modification of model parameters

根据既有试验数据对相关参数表达式进行修正,修正后的相关表达式如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

模型其余参数:p为应变软化系数;mT为屈服阶段应变硬化系数;εupT为屈服阶段极限应变;EyT为屈服阶段弹性模量,GPa;下降段相关指标(ffT,εfT及EfT)的计算方法详见文献[5]。图10表明,修正后800 ℃高温后的模型有较大改善,具有更高的预测精度。

图10 S36950不锈钢采用修正后模型的预测曲线与试验曲线对比Fig.10 Comparison between predicted curves with modified model and test curves for S36950 stainless steel

4 结论

1)不锈钢敏化效应使得盐水冷却的S36950与S30408不锈钢在600～800 ℃高温后的弹性模量及延伸率较普通水冷有所下降。

2)盐水冷却使得高温后不锈钢的强度较普通水冷有所下降,特别是800 ℃高温后采用盐水冷却的S36950不锈钢屈服与极限强度显著折减。

3)基于试验数据修正了Tao等提出的高温后不锈钢应力-应变模型,以提高模型对采用盐水冷却的S36950不锈钢高温后力学性能的预测精度。