309S不銹鋼

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314不銹鋼絲冷拔過程中斷裂行為研究分析報告

來源:至德鋼業 日期:2020-03-12 00:38:48 人氣:216

  通過對浙江至德鋼業有限公司生產的314不銹鋼絲試樣的微觀組織、斷口形貌及夾雜物進行觀察,對試樣力學性能進行測試,分析拉拔變形前和拉拔變形后鋼絲的強度,塑性以及導致鋼絲斷裂的原因。結果表明:φ3.0mm的鋼絲試樣抗拉強度為1096.7MPa,斷后伸長率為10.6%,隨著冷拉拔的進行,φ2.15mm的鋼絲試樣抗拉強度上升到1148.2MPa,斷后伸長率急速下降至6.2%。冷拉拔變形使得鋼絲強度增大,塑性變差,由于道次變形量過大導致拉拔過程容易發生鋼絲斷裂。對變形前后鋼絲的組織以及斷口分析表明:試樣組織為基體為奧氏體,富鉻相M23C6或M7C3則彌散分布于表面,其形狀主要呈長條狀,富鉻相的大量析出顯著降低鋼絲的塑性,易引起晶間腐蝕的發生;314不銹鋼絲的斷裂屬于以脆斷為主的混合斷裂。斷口無明顯塑性變形,纖維區存在明顯沿晶斷裂,還有少量球形和花瓣狀的韌窩;此外,試樣中存在較多灰色塊狀夾雜物,EDS分析表明,夾雜物為硅酸鹽及氧化鋁,尺寸為6.5μm左右。



    奧氏體不銹鋼中,300系列的314不銹鋼是一種高壓耐熱不銹鋼,對應國內標準牌號為1Cr25Ni20。314不銹鋼是310不銹鋼的衍生品,在310不銹鋼的基礎上增加Si元素,從而提高材料的耐熱性,抗氧化性能。材料的斷裂受到材料本身的性質、環境因素、工作應力狀態、材料的結構及缺陷等眾多因素的影響。斷裂問題對于鋼絲的拉拔而言,嚴重影響生產的連續和產品質量。隨著奧氏體不銹鋼深加工產品的廣泛應用,其生產工藝和質量問題也成了研究和改進的重點之一,但目前國內外針對于314線材冷加工變形及其質量問題研究報道相對較少。本文針對某不銹鋼企業在拉拔314不銹鋼絲的過程中出現的嚴重斷絲問題,通過對314不銹鋼絲試樣的微觀組織、力學性能、斷口形貌特征及夾雜物分布等方面進行探討,分析其斷裂成因,從而為整個生產工藝的優化和產品質量的提高提供理論依據。



 一、實驗材料及方法


    實驗材料為企業生產的314體不銹鋼絲,由于在拉拔的最后一道次中出現鋼絲斷裂問題,因此對最后一道次拉拔前后的鋼絲進行取樣,直徑分別為φ3.0mm和φ 2.15mm。分別選取最后一道次拉拔前φ 3.0mm的鋼絲、拉拔后φ 2.15 mm的鋼絲作為主要研究對象。取樣后將橫截面制成金相試樣磨拋,用王水加甘油的侵蝕劑侵蝕,在光學顯微鏡下和掃描電鏡下觀察其金相組織。采用ZEISS EVO18型掃描電鏡對鋼絲斷絲后的斷口形貌特征進行觀察,確定夾雜物尺寸及特征并進行EDS能譜分析。采用CMT4150微電子萬能試驗機對兩種尺寸的鋼絲進行力學性能檢測。



二、實驗結果及分析


 1. 鋼絲金相組織形貌


   對鋼絲試樣進行切割取樣,鑲嵌研磨并用王水丙三醇溶液進行侵蝕,最后在LEICADMR型光學顯微鏡和ZEISS EVO18型掃描電鏡下對組織進行觀察。圖為直徑為2.15mm和3.00mm314不銹鋼試樣的橫向金相組織,圖為φ2.15mm試樣的橫向掃描組織,圖為φ3.00mm試樣的橫向掃描組織。根據圖中所示,314不銹鋼顯微組織是兩相組織,其中一相是奧氏體基體,另一相由圖中對其的線掃描結果可判斷為富鉻相,奧氏體不銹鋼中的富鉻相。通常為M23C6或M7C3。根據圖可知,試樣橫向組織中富鉻相M23C6或M7C3彌散分布于母相奧氏體中,其形狀主要呈長條狀或者規則球狀。


   314奧氏體耐熱鋼的固溶處理,是使所有碳化物完全固溶入奧氏體基體內,以獲得均勻的單相組織。然而,本試驗中314不銹鋼試樣除了奧氏體之外,還存在數量較多的富鉻相。通過ImageTool圖形分析軟件測量圖選定視場內的富鉻相的體積分數分別為30.34%和20.21%。一般情況下,碳化物M23C6或M7C3中鉻含量約為42%~65%,與不銹鋼的基體成分相比,碳化物中鉻的含量遠大于基體中鉻的含量。這樣,大量富鉻相M23C6或M7C3的析出就易引起奧氏體不銹鋼晶界貧鉻,從而導致晶間腐蝕的發生,同時貧鉻區的出現對拉拔變形極為不利,它降低鋼絲本身耐腐蝕性的同時也使得鋼絲塑性變差,脆性增強,若拉拔變形量較大則容易發生斷裂現象。具體分析富鉻相的產生原因,首先,對于314不銹鋼來說,相比于304等其他奧氏體不銹鋼,其碳含量較高,碳是一種間隙原子,而奧氏體不銹鋼中如果含碳量較多,通過固溶強化顯著提高不銹鋼的強度的同時它會與鉻形成一系列復雜的碳化物,導致局部鉻的貧化,使鋼的耐蝕性特別是耐晶間腐蝕性能下降。則奧氏體在冷卻時易發生分解形成(CrFe)23C6而不能保持單相奧氏體狀態,耐蝕性會顯著下降,所以奧氏體不銹鋼的含碳量應嚴格控制在小于0.1%。



 2. 試樣力學性能實驗


 通過實驗室拉伸試驗對314不銹鋼絲試樣的力學性能進行對比,在相同的拉伸參數下測得性能數據如表。數據顯示φ3.0mm試樣的抗拉強度為1096.7MPa,斷后伸長率為10.6%,最后一道次由φ3.0mm拉拔減徑至φ2.15mm,抗拉強度上升至1148.2MPa,斷后伸長率為6.2%。最后一道次隨著冷拉拔變形的進行,鋼絲的強度略有增加,塑性急劇下降,究其原因,最后一道次的拉拔變形率達到28.3%,通常奧氏體不銹鋼絲最后一道次的變形率為5.0%~20%,因此過大的道次變形率使得延伸率急劇下降,位錯運動受阻,最終鋼絲的塑性達不到需求導致鋼絲被拉斷。



 3. 斷口形貌及EDS分析


   對兩種尺寸規格的314不銹鋼試樣斷口,利用超聲波清洗機在丙酮試劑進行清洗,吹干,然后在ZEISS EVO18型掃描電鏡下觀察其斷面形貌特征。圖為不銹鋼絲試樣斷口的掃描形貌特征。圖為314奧氏體不銹鋼絲的斷裂后的斷口掃描形貌,圖為斷口全貌,試樣斷口無明顯塑性變形,斷口也比較平坦,看不到纖維區和剪切唇,只存在放射區,放射線源于斷裂源。圖為不同放大倍數下斷口形貌。高倍組織下出現明顯的沿晶斷裂形成的裂紋,晶界處以及兩相界面處優先被腐蝕形成微裂紋,沿著晶界不斷擴展形成斷裂起源;同時還有少量的韌窩,分布較分散,深度較淺,韌窩形狀主要呈球形凹坑和花瓣狀,解理斷口由河流狀花樣或是扇形花樣構成。因此可以確定314試樣斷裂屬于以脆斷為主同時含有少量韌斷特征的混合斷裂。


   對314不銹鋼絲斷樣,利用超聲波清洗機在丙酮試劑進行清洗,吹干,然后在ZEISS EVO18型掃描電鏡下觀察其夾雜物分布及能譜分析。圖為試樣斷口表面夾雜物形貌及能譜分析。表為夾雜物的尺寸特征和元素含量等基本屬性,圖9為斷口中粒狀富鉻相形貌及能譜。根據以上圖可知:夾雜物主要呈灰色塊狀,分布于解理臺階處。但夾雜物的數量較少,且分布較分散。夾雜物的尺寸和EDS能譜分析結果如表所示。夾雜物的尺寸大多在6.2μm至6.7μm之間。異常元素主要是O、Si、Al,可能的夾雜物主要是鋁硅氧化物及硅酸鹽。鋼中的非金屬夾雜物破壞了金屬材料的連續性,降低鋼的機械性能及工藝性能,而起往往在夾雜物的尖端前沿造成應力集中,使得材料即便在較低的平均應力作用下就萌生裂紋。由于314不銹鋼試樣中存在一定尺寸與數量的非金屬夾雜物,孔洞擇優在夾雜物附近形核,因此在斷口上很多解理臺階存在微裂紋,微裂紋形核后、迅速長大并連接就會誘導脆斷。


   根據圖可知,富鉻相M23C6或M7C3與基體的區別除了鉻含量偏高外,其Fe含量偏低。富鉻相M23C6或M7C3也為體心立方晶格,但其點陣常數較大。富鉻相M23C6或M7C3與母相保持共格關系,在母相晶面族上析出,造成較大的晶格畸變和內應力,從而使314不銹鋼塑性顯著降低。


   根據圖可知,試樣斷口的裂紋放射區域中粒狀富鉻相的存在,在表面缺陷已萌生裂紋和冷拔后未及時消除應力的情況下,冷拔過程中,在富鉻相相界面附近集中的巨大應力,必然成為表面裂紋的擴展提供了便利條件,根據裂紋走向的應力原則和強度原則,高的儲存能所產生高應力的長時間作用,使得鋼絲在冷拔、熱處理殘余應力以及后續彎曲成型過程中易引起富鉻相為主要通道的裂紋擴展。



三、結論


  1.  φ3.0mm試樣的抗拉強度為1096.7MPa,斷后伸長率為10.6%,拉拔至φ2.15mm,抗拉強度上升至1148.2MPa,斷后伸長率為6.2%,隨著冷拉拔變形的進行,鋼絲的強度略有增加,最后一道次的拉拔變形率達到28.3%,過大的道次變形率使得塑性急劇下降。


  2.  試樣組織為異常的兩相組織,基體為奧氏體,富鉻相M23C6或M7C3則彌散分布于表面,其形狀主要呈長條狀或者規則球狀。富鉻相M23C6或M7C3的析出,造成較大的晶格畸變和內應力,以致314不銹鋼塑性顯著降低,脆性升高,易引起晶間腐蝕。


  3.  試樣中夾雜物主要呈灰色塊狀,分布于解理臺階處,夾雜物數量且分布較分散。夾雜物的尺寸在6.2 ~6.7μm之間,夾雜物中異常元素為O、Si、Al,可能的夾雜主要是鋁硅氧化物和硅酸鹽。


  4. 314不銹鋼絲試樣的斷裂屬于以脆斷為主的混合斷裂。斷口無明顯塑性變形,纖維區存在明顯沿晶斷裂,還有少量花瓣狀的韌窩。組織中的富鉻相M23C6或M7C3和非金屬夾雜物為裂紋擴展提供擴展通道,最終導致材料脆斷。


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本文標簽:314不銹鋼 

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