304不锈钢深冷处理强化及机理研究

发布者：江苏法兰德金属制品有限公司发布时间：2020-7-12 9:45:38 点击次数：关闭

1）由于奥氏体不锈钢的塑性与韧性极为优异，对奥氏体不锈钢进行形变强化，提高其降伏强度，还能保证足够的塑性与韧性，从而可以重大的降低材料成本，具有很高的工程价值。
2）固溶化或热轧退火的奥氏体不锈钢，在室温拉伸过程中，不会出现于普通碳钢一样的屈服平台，而是随着拉伸应力的连续增加，变形连续增大；一般规定残余应变0.2%的应力为其屈服强度。
3）目前国际规范中的应变强化技术:
*主要应用于圆柱形或球形的压力容器
*必须经过固溶处理，且延伸率不得低于35%
*强化后的永久塑性变形量不得大于10%
*AS1210S2中规定强化后的容器不得适用于400C以上，而EN13458-2更规定不得大于50C。

4）德标的不锈钢屈服强度按R1.0取值，一般R1.0约较R0.2高约40MPa。

5）304不锈钢的疲劳极限大致随其屈服强度的增加而增加。
6）304不锈钢在液氮环境下，马氏体与强度之间的关系如下：
R=225f+48.65ksi（其中R为屈服强度，f为马氏体体积分数，1ksi=6.895MPa
7）通过形变产生马氏体的最高温度为Md，温度高于Md时，形变也不会产生马氏体；自发马氏体转变温度为Ms；故在Ms温度与Md温度中，不锈钢形变时会诱发马氏体转变，随着变形量的增加，马氏体量也会增加；越接近Md点，产生马氏体所需要的变形量也越大；越接近Ms点，就越能增加马氏体的量。
8）304奥氏体不锈钢的Ms点很低（约零下400C），而Md在室温至180C之间；要想得到足够的马氏体以强化材料，就必须施加弹性或塑性形变。
9）在高于Md点施加应力以产生应变时，不会产生马氏体；此时的强化是加工硬化，而和马氏体无关。在Md与Ms点间施加应变时，随着温度的降低，形变强化的机制铸件由加工硬化转变成马氏体硬化。
10）在液氮温度下，等温马氏体转变的速率很低，这是由于几种不确定的因素：
*化学成分，热处理工艺，晶粒度大小等
*室温放置时间
*残余应力状况。
11）强化容器的制备—不论是室温强化还是低温强化，一般都采用焊接结构；由于304不锈钢焊接采用低碳高镍的焊条，焊缝区由于奥氏体稳定化与拘束的作用，故塑性丧失的程度较母材大，因此室温形变强化的弱区就是焊接接头区域。
12）马氏体相变的体积膨胀大约在0.8-4.0%间（依含碳量而定），4%的体积膨胀相当于1.4%的线性膨胀。
13）室温强化主要以弹性应变为之，而低温强化则为马氏体相变引起的体积膨胀。
14）304不锈钢在液氮温度下，仅变形0.25%就会出现马氏体；而在室温下需要变形40%才会出现马氏体。
15）在Ms点以下，奥氏体不锈钢自发的等温马氏体转变，开始很慢，逐渐加速，到后期又变慢，最后停止，一般转变量不会超过20-30%；即使没有发生马氏体转变的奥氏体，也会由于马氏体引起的体积膨胀及相变应力而发生明显的塑变强化。
16）要获得性能优异的形变强化304不锈钢，不仅需要合适的形变温度，而且需要合适的晶粒度及较少夹杂物。
17）低温形变强化除了在液氮温度下施加一定变形所诱发的马氏体转变及未转变的奥氏体冷加工硬化外；在缓慢回温过程中及长时间的室温时效过程，还会有部分转变成马氏体（并会析出超微细的碳化物），进一步强化不锈钢。
18）304不锈钢的抗拉强度与马氏体含量间存在线性关系
19）深冷强化工艺的变形量一般控制在9-13%间。
20）夹杂物对形变强化对不锈钢的断口影响很大，而且强烈影响强化后的延伸率。
21）温度，预应变（或应力）大小对304不锈钢的形变强化性能有着决定性的影响。预应变（或应力）对马氏体转变的影响，主要体现在机械驱动力方面，从产生相变驱动力的角度来看，冷加工的形变量越大，给予试样的机械驱动力就越大，马氏体转变量就越多。而温度对马氏体转变的影响体现在化学驱动力方面，温度越低，需要的驱动力越小，直至自发马氏体转变发生。
22）若形变温度在Md以上，试样中的奥氏体仅仅会发生滑移或塑性变形，不管形变量多大，都不会发生马氏体转变。--此即奥氏体的稳定化。
23）液氮温度下的马氏体转变强化后的屈服强度和抗拉强度均比室温强化的强度要高得多。低温强化主要是马氏体相强化，而室温强化主要是冷加工强化；冷加工强化是以牺牲材料塑性为代价的，而马氏体强化虽然也会牺牲一部分塑性，但在同样的塑性条件下，可获得更高的强度。
24）316不锈钢虽然也是属于亚稳态的不锈钢，但在室温形变，几乎不存在马氏体相变；因此在室温附近，只存在加工硬化强化；如果要获得更高的强度，只能进行液氮等低温环境下的形变强化；但是由于其稳定化程度较高，故其强化能力较低。
25）310不锈钢，即使在液氮温度下形变，也不存在马氏体相变，因此仅可能有加工硬化强化。
26）马氏体相变的特点：
*马氏体本身具有很高的强度
*马氏体相变引起的体积膨胀改善了材料的塑性
*马氏体的切变相变和体积膨胀使残余奥氏体严重加工硬化，提高强度；
*这些严重硬化的残留奥氏体在稍高的温度下时效有可能转变为马氏体，进一步提高形变热处理的材料强度

27）冷加工硬化的强度随温度消除比较缓慢，几乎可以保留至约900C；而马氏体强化的不锈钢在400C左右时，会因马氏体的逆转变重新变成奥氏体，材料的强度大幅下降。
28）室温强化时，形变1%，约可提高强度40MPa；一般预变5%，可使其屈服强度达到400MPa；因此控制应变量的大小即可获得所需要的强度性能。
29）等温马氏体转变是指将奥氏体过冷到某一温度，然后保温；随着时间的增长不断发生转变，开始时转变很慢，少量形成后开始加速，而后又变慢，最后停止；一般转变量不会超过20-30%。因此等温马氏体变态在时间-温度的关系图上成C型，有孕育期，在某一温度的转变速率有极大值；合金元素可以改变C曲线的位置，冷却速率也可抑制其转变。
30）在马氏体转变温度范围内停留或缓冷，可为马氏体转变的形核提供驱动力，得到的马氏体量就更多。相反，如果以快速冷却到液氮温度，由于马氏体来不及形核，马氏体的转变就会收到抑制。在液氮温度下，由于温度太低，即使放置很长的时间也不会出现更多的马氏体如果在液氮温度下施加弹性能或塑性能，有利于马氏体晶核的形成而有助于形成马氏体。
31）在一般条件下，时间在马氏体转变过程中的作用极为微小；但在极低温的条件下，时间就成了重要的工艺因素。
32）常温下的容器通过水压可使容器发生3-5%的塑性变形，这个过程发生的马氏体非常少；强化的机理主要是塑性变形强化或冷加工硬化。而在低温下形变或施加弹性应力。就必须考虑马氏体转变的影响。
33）在液氮温度下只要变形不超过10%，其强化机制就完全是马氏体转变引起的强化，马氏体转变动力学为等温转变，转变机制为弹性应力诱发的马氏体转变，如果应力超过屈服强度，其强化机制为加工硬化与相变强化的共同作用结果，因此在液氮温度下，可用弹性应力与液氮温度下的保温时间作为压力容器强化的制造参数。
34）加工硬化强化---室温变形强化选用的不锈钢须经固溶处理且延伸率不得低于35%；且强化后的永久塑性变形量不得超过10%。只要塑性变形量不超过5%，屈服强度的提高主要是因加工硬化而来，马氏体根本不存在。5%的塑性变形基本不会明显影响奥氏体的塑性与韧性所以目前工业最为广泛的强化方式也是5%左右的塑性变形强化。这种强化方式仅能使屈服强度提高到400MPa左右。
35）马氏体相变强化—马氏体相变强化具有更高的强度且塑性丧失少；在总变形不超过10%的情况下，304不锈钢的变形主要是马氏体相变体积膨胀引起的，即不存在加工硬化强化问题；但由于304不锈钢的化学成分范围很宽，导致形变马氏体出现与自发马氏体转变温度的差异很大。
36）加工硬化强化与马氏体相变强化的结合—一般而言，在室温下形变强化的变形量超过5%，或液氮温度下形变量超过屈服平台时，前者在加工硬化的同时也发生马氏体相变强化后者在相变强化的同时也发生加工硬化。马氏体相变量的多少不仅与形变程度有关，而且与奥氏体稳定度有关。例如304在室温下形变超过5%就有可能发生马氏体变态；而316不锈钢在室温下形变即使接近断裂，马氏体的量也很少。为保证强化压力容器制造参数的正确性，保障强化后材料性能的稳定和精确，就必须对材料的化学成分进行严格的限制与控制，在强化前应进行固溶处理（浇注温度不得过高），保证晶粒度在合理的范围。
37）304压力容器强化机理与制程控制参数