分析0Cr18Ni9不锈钢管旋后的力学性能,测试旋后以及经后↘固溶处理工件的残余应力,测量了经65%硝酸溶液浸蚀后∏各种状态的0Cr18Ni9不锈钢样品的腐蚀失重和晶间腐蚀深度,观察经腐蚀试验后样品的ξ腐蚀形貌。研究结果表明,采用旋压结合后固溶处理的工艺可获得良好的强度和塑性配合,进而大幅提升0Cr18Ni9不锈钢综合力学性能;旋压会大幅增加0Cr18Ni9不锈钢残余应力,但☆经过后固溶处理可有】效恢复;旋压可提升0Cr18Ni9不锈钢的抗晶间腐蚀性能,且结合后固溶处理可进一步提升。

1引言

0Cr18Ni9钢(AISI304)是一种最为常见的奥氏体不锈钢,具有良好的冷、热加工性能和耐腐↓蚀能力,在石油、化工、海洋等行业被大量应用[1]。旋压是一种综合了拉拔、锻压等多种工艺方法的逐点连续变形工艺方法,具有变形条件好,制】品性能优良,产品尺寸公差小,材料利①用率高,制︼品类别广泛,可旋制整体回转体零件等优点,被广泛应用于航空航天、兵器、核能、船舶等领域。

利用旋压加工成形大直径、

长尺寸、无缝、薄壁0Cr18Ni9不锈钢筒形件》◤,能有效改善金属内部组织,细化晶粒,提高强度、硬度指标,获得良好的尺寸精度、表面粗糙度和尺寸稳定性,满足工艺生产要求。0Cr18Ni9不锈钢管经旋压加工后,会产生明显的加工█硬化效果,必须经过旋后热处理改善旋后材料的内部组织和宏观力学性能,而热处理工艺的适应程度对产品使◣用性能影响很大,需要深入研究[1]。在金属旋压成形过程中,沿壁厚方向各层金属的变形量有一定程度的ㄨ差异,并且受工件表面摩擦力的影响,再加上毛坯各处组织性能的差异,以及旋轮对材料表面的作用力,导致金属发生不均匀塑性变形,使成形后的金属薄壁管内存在有较大的□ 残余应力[3]。残余应力的存在对零件的形状精度和尺寸稳定性以及抗应力腐蚀能力有很大的〇影响,极易导致零件出现变形和裂纹等情况。因此减小旋压管材的残余应力对于改善产品质量具有重要意义。影响旋后0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管抗腐蚀性能最重要的因素是晶间腐蚀。晶间腐蚀●是金属在特定的腐蚀环境中沿着或紧挨着材料的晶界发生和发展的局部腐蚀破坏状态。晶间腐蚀导致材料失效的主要原因是这种腐蚀会沿着晶界向内部发展,大大降低晶粒间的结合¤力,使材料的强度大幅降低甚至〓消失。晶间腐蚀严重的不锈钢甚至会一触即碎,十分危险。因此,晶间腐蚀〗是一种危害性很大的局部腐蚀。本文针对科研生产中实际应用的0Cr18Ni9不锈钢旋压产品开展技术研究,分析了0Cr18Ni9不锈钢管旋后力学性能变化情况,测试了旋后毛坯以及经热处理后工件的残余应力,测量了经65%硝酸溶液浸蚀后各种状态的0Cr18Ni9不锈钢样品的腐蚀失重和晶间腐蚀深度,同时,还观察了经腐蚀试验后样品的腐蚀形貌,定量评价了旋后工件的抗晶间腐蚀能力,为全面掌握旋压工艺对0Cr18Ni9不锈钢材料特性影响规律奠定了一定基础。2试验方案拟采用大◥直径不锈无缝钢管三旋轮强力旋压工艺研究后获得的最优工♀艺参数,分析了旋压试验件的研制,试验件的力学性能和组织对比,以及残余应力测试和晶间腐蚀状态。试验所选坯料材料为0Cr18Ni9钢管,毛坯的长度、壁厚和内】径分别为:L 0=500mmt 0=13mmD 0=544mm。试验采用ST56-90CNC三旋轮卧式数控旋压机。具体的旋压工艺路线为:无缝钢管粗车→固溶处理→酸洗→旋压→尺寸检测→后处理及性能检测。3力学性能和微观组织分析3.1力学㊣性能测试0Cr18Ni9不锈钢旋压加工硬化程度可用力学性能指标◤宏观测定,旋后工件力学性能以及旋压后经固溶处理管材的力学性能指标如表1所示。

从表1中数据可以看出,0Cr18Ni9不锈钢经旋压●变形后,产生了明显的应变强化效果,与0Cr18Ni9不锈钢原始状态的力学性能№相比,经旋压加工后金属的σb提高了约62%,达到982.5MPa,σ0.2提高了三倍以上,但是塑性指标显著降低,断后伸长率平均降低了约85%。将旋压后0Cr18Ni9不锈钢筒形件固溶处理,强度指标有所⊙降低,σb700MPa左右,σ0.2550MPa左右,但塑性指标提高较多,断后ㄨ延伸率提高了四倍左右。而且较原始状╱态,σb提高了20%,σ0.2提高了100%,断后延伸率也达到原始的75%,且绝对数值很高,获得了良好的强度和塑性配合,对于提升产品性能△具有重要意义。

2旋压组织观□ 测

10Cr18Ni9不锈钢原始坯料和旋压后管材的金相显微组织,可以看出,经旋压加工后,晶粒被压扁拉长,沿旋压方向形成明显的纤维状组织。

0Cr18Ni9不锈钢★旋压后的TEM显微组织如图2所示。从图2a中可以看出,经旋压『变形后,奥氏体不锈钢组织内部产生大量的形变孪晶,形变孪晶把奥氏体基体分成许多小区,其孪晶界①成为位错运动的新障碍,增大了位错运动的阻力,使变形更为困难,因〓此产生了加工硬化效果。

0Cr18Ni9不锈钢在冷变形过程中,会发生奥氏体转变为马氏体的现象,称为应变诱发马氏体转变,这个过程会引入大量位错,而马氏体即成为位错滑≡移的障碍√,导致大量位错在奥氏体中堆积,形成位错塞积和缠结,在∏密度比较高的区域形成了层错,使位错进一步运动的阻力增大,产生明显加工硬化现象,进一步解释了旋压后材料强度等指标大幅提升的机理。

4残余应力

4.1残余应力测试方法

采用钻孔法测试旋压后▓的0Cr18Ni9不锈钢管材内外表面的残余应力,还测试了采用旋压后经固溶处理管材表面的残余应力大小。测试方法参照ASTM标准E83781及我国标准GB339592,在薄壁管●上选定的位置钻孔,通过测量电阻应变片在残余应力释放时产生的↓应变,根据弹塑性原理计算残余应力。

2旋压后残余应力结果及分析

旋压后0Cr18Ni9不锈钢管轴向各位置沿壁厚由⌒内到外的平均残余应力分布如图3所示,图中数据以拉应力为正,图中壁厚㊣零点为管材内表面。

由图3可知,0Cr18Ni9不锈钢管旋压后的内部有较大的〒残余应力,从宏观上看,薄壁管外表面的残余应力在数值上大于内表面的应力值,其轴向残余应力均大于其切向残余应力。薄壁管的】内表面表现为残余拉应力,其轴向残余应力值为1065MPa,切向残№余应力值为4.525MPa,而外表面变现为残余压应力卐卐,其轴向残余应力值为50110MPa,切向残余应力值为4060MPa。在旋压过程中,旋轮的压力由外向内传递,使得工件外层除了有轴向形变外⊙还有切向形变,而内层金属基本是轴向变形,因此,外层金属的变形量要大于内层金属,这种变形的不均匀性导致了旋压工件的外表面产生压应力,内表面产生︼拉应力。

4.3固溶处理后※残余应力结果及分析

旋压后经固溶处理的0Cr18Ni9不锈钢管轴向各位置沿壁厚由内到外的平均残余应力分布如图4所示。

由图4可知,旋压态的0Cr18Ni9不锈钢管经固溶※处理后内部残余应力值显著降低,内表面轴向残余应力值为25MPa,与固溶前相比,残余应力值平Ψ 均下降了85%以上,内表面切向残余应力值为12.5MPa,平均下降了80%以上;外表面轴向残余应力值在28MPa,平均下降了90%以上,切向◣残余应力值在1.53MPa,平均下降了95%以上。

由此可以得出,通过固溶⊙处理可以有效消除经旋压变形后0Cr18Ni9不锈钢管内的残余应力,且沿壁厚方向残余应力分布趋向于平稳分布。残余应力水平的降低能有效改善0Cr18Ni9不锈钢管的抗应力腐蚀能力,提高旋后管材的形状精度和尺寸稳定性。

5晶间腐蚀

5.1 0Cr1 8Ni 9不锈钢管晶间腐蚀测试∞方法

采用65%硝酸溶液腐蚀的方法分别对原始管材、旋压后以及旋压后经固溶处理的0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管进行了晶间腐蚀检测。

具体试验方法:分别在原始管△材、旋压管材和旋压后经固溶处→理的不锈钢管上取样,每种分别♀取2个样,编号为1#6#试样,规格为100mm×20mm×5mm。按照GB/T 43342008规定的不锈钢晶间腐蚀的测试方法进行晶间腐蚀试验。试验结束后,将样品在扫描电子显微镜下观察材料晶间腐蚀的形貌,并测量样品的Ψ晶间腐蚀深度。

5.2旋压后晶间腐蚀试验结果及分析

根据0Cr18Ni9不锈钢管65%硝酸腐蚀试验结果,得出试样在每个腐蚀周期内的腐蚀失重率、三个周期内的平均腐蚀失重率以及平均晶间腐蚀深度,原始管材及旋︽压管材晶间腐蚀试验结果如表2所示。

试验结果表明,0Cr18Ni9不锈钢经旋压变形后的抗晶间腐蚀性能良好,旋后管材腐蚀失重速率在0.35mm/a左右,平均晶间腐蚀深度为17μm左右。从表中数据还可看出,经旋压变形后的不锈钢管坯的抗晶间腐蚀能力较原始管坯有所提高,腐蚀¤失重速率平均降低了25%,晶间腐蚀深度平均降低了30%,以上数据表明↑,旋压◣变形有助于提高0Cr18Ni9不锈钢管的耐晶间腐蚀能力。

0Cr18Ni9不锈钢样品经65%硝酸腐蚀试验◣后的SEM形貌如图5所示,其中图5a为原始管材的晶间腐蚀形貌,可以看出原始0Cr18Ni9不锈钢管材经65%硝酸腐蚀试验后,发生了较为严重的晶间腐蚀现象,其晶内布满了腐蚀坑,晶界上有较深的腐蚀沟;图5b为旋压0Cr18Ni9不锈钢管材的晶间腐蚀形貌,旋压管材也发生了明显的ω晶间腐蚀现象,但其晶间腐蚀程度较原始管材轻,并且SEM形貌显示其腐蚀坑呈不连续状态分布。

经旋压变形后,碳化铬(CrFe)23C6沿滑移线析出,分布呈不∞连续的点状。在滑移线界面积远远大于晶界面积的情况下,降低了奥氏体组织的相对晶间贫铬程度,从而有效降Ψ 低了0Cr18Ni9不锈钢管材的晶界腐蚀敏感性。

5.3固溶处理后晶间腐蚀结果及分析

固溶处理后0Cr18Ni9不锈钢旋压管材的腐蚀试验结果如表3所示,对照表3中的旋后管材腐蚀试验数据可以发现,经固溶处理后,在一定腐蚀周期内,样品平均腐蚀失重速率从0.36mm/a降低到0.3mm/a,平均下降了16.7%,同时,平均晶间腐蚀深度也从17μm减小到13.5μm,平均减小了20.6%。以上数据表明,固溶处理可以有效降低不锈钢的晶间腐蚀倾向。

旋压管材经固溶处理后,其晶间腐蚀倾向明显减弱,晶界处的腐蚀坑较轻,呈不连续的点状分布,如图6所示。经固溶处理后,原先在晶界析出的碳化」物(CrFe)23 C 6已基本溶解到不锈钢奥氏体基体中,造成基体中的贫铬区宽度下降,使基体的抗晶间腐蚀能力提高,晶间腐蚀程度下降。

6结束语

通过对0Cr18Ni9不锈钢经旋压加工产生变形后的性能研究,得出如下∑ 结论:

a.旋压变形大幅提高了0Cr18Ni9不锈钢强度指标,但塑性下降明显;旋压后再固溶处理,强度较原始材料高,塑性下降不明显,获得了良好的强度和塑性配合,对于提升产品性能具有重要意义。

b.旋压变形可使0Cr18Ni9不锈钢组织晶粒沿轴向压扁拉长,形成明显的纤维状组织,晶粒得到了重排和细化。奥氏体不锈钢组织内部产生大量的形变孪晶,孪晶界成为位错运动的新障碍;同时,奥氏体基体内的位错和层错,成为阻碍位错运动阻力,从而形成较强的加工硬化效果。

c.0Cr18Ni9不锈钢管的内部有较大的残余应力,固溶处理可以有效消除经旋压变形后0Cr18Ni9不锈钢管内的残余应力。

d.晶间腐蚀试验结果表明,旋压变形有助于提◣高0Cr18Ni9不锈钢管的耐晶间腐蚀能力。且旋压管材经固溶处理后,其晶间腐蚀倾向进一步明显减弱,抗腐蚀能力有所提高。