不锈钢作为现代工业中的一种重要结构材料，在航空、化工、能源等方面都得到广泛的应用。国内外学者对不锈钢的焊接性、耐蚀性和高温抗氧化性等开展了深入的研究；此外，在不锈钢功能性方面[1](抗菌、超软、生物相容性等)和节镍方面(低镍、无镍)也有诸多研究。
近年来随着研究手段的进步，在不锈钢高温相变、高温组织预测和高温塑性等方面开展的相关研究，为新型不锈钢的研发以及不锈钢生产中控制热裂纹等缺陷提供了理论依据。本文重点综述国内外在奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢高温组织和高温力学性能方面的最新研究成果。
1不锈钢高温组织研究
铁-铬二元相图是不锈钢的基础，根据组织可将不锈钢分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢，在加热过程中，不同的温度将发生不同的组织转变(包括各种析出相)。
1.1奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是在高铬不锈钢中添加适当的镍(即含Cr量为18%，Ni为8%～25%)，属Fe-Cr-Ni系合金和Fe-Cr-Ni-Mn系合金，即美国AISI300系和美国AISI200系。高温铁素体(δ)是不锈钢奥氏体(γ)与液相(L)之间的中间相，加热到1300℃以上发生γ→δ、γ→δ+L与δ→L相变。δ相对不锈钢力学性能将产生不利影响，使钢加热时热裂倾向加剧[2]。δ相的形态、尺寸、体积分数、分布等直接影响到随后冷却过程中δ→γ固相转变。共焦激光扫描显微镜(CLSM)原位观察的方法是研究δ形核长大行为的有效方法。
奥氏体不锈钢主要通过细化晶粒来减少δ含量，而升温速率对δ晶粒尺寸有显著影响。304奥氏体不锈钢在1460℃，升温速率为100℃/min时γ相消失，组织全部由γ和L两相组成，且L相优
不锈钢高温组织与高温力学性能研究进展
孟亚惠1，2,季根顺1，2,樊丁1，2,张建斌1，2
(1.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学有色金属合金
省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050)
摘要：主要综述了奥氏体不锈钢中δ相、铁素体不锈钢中σ相、马氏体不锈钢中M s、双相不锈钢中γ相与α相的相对含量和沉淀硬化不锈钢中ε-Cu对不锈钢高温组织的影响；还综述了变形温度、应变速率和应变量对不锈钢高温力学性能的影响。
关键词：不锈钢；高温组织；高温力学性能
中图分类号：TG142.71文献标识码：A文章编号：1001-3814(2009)04-0012-05
Research Progress of High-temperature Microstructure and Mechanical
Property of Stainless Steel
MENG Yahui1,2,JI Genshun1,2,FAN Ding1,2,ZHANG Jianbin1,2
(1.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials,Lanzhou University of Technology,Lanzhou
730050,China；2.Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys,The Ministry of Education,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China)
Abstract：The effects ofδ-phase in austenitic stainless steel,σ-phase in ferritic stainless steel,M s of martensitic stainless steel,relative content ofγandαof duplex stainless steel andε-Cu in precipitation-hardening stainless steel on high-temperature microstructure of stainless steel were reviewed.As well as the effects of deformation temperature, strain rate and strain capacity on high-temperature mechanical properties of stainless steel were reviewed.
Key words：stainless steel;high-temperature microstructure;high-temperature mechanical properties
收稿日期:2008-09-17
作者简介:孟亚惠(1979-),女,陕西咸阳人,助理工程师,硕士,主要从
事不锈钢高温性能研究;电话:0931-*******;
E-mail:morgan19781222@https://www.doczj.com/doc/0913880091.html,
先在δ/δ界面形成，随温度进一步提高，δ相不断被L相蚕食；当升温速率为150℃/min时，γ晶粒内出现大量棒状/椭圆状的δ相，且δ晶粒尺寸远小于100℃/min时的尺寸。这是由于加热速率越大，过热度越大，δ相的形核功降低，从而显著提高了δ相的形核率[3-4]。
要减少或消除δ相最有效的办法是提高钢中奥氏体形成元素的含量。Ni是奥氏体形成的主加元素，[Ni]=Ni＋Co＋0.5Mn＋30C＋25N＋0.3Cu；Cr是铁素体形成的主加元素，[Cr]=Cr＋1.5Mn＋2.0Si＋1.5Ti＋1.75Nb＋5.5Al＋5V＋0.75W。在高温下Cr含量小于12%时发生α→γ转变，Cr含量大于13%时不发生任何相变；而Ni是γ相形成元素，可扩大γ相区。当Cr当量增加时，δ相含量增加；当Ni当量增加时，δ相含量减少，控制Cr/Ni当量比即可控制钢中的δ相含量[5]。
1.2铁素体不锈钢
铁素体不锈钢的含Cr量一般为12%～13%，为体心立方结构的铁基合金，在高温下析出σ相。σ相是富Cr的脆性金属相，析出温度为500～800℃。由于铁素体不锈钢存在475℃脆性，在900℃以下加热时会出现σ相使钢的硬度增加，塑韧性显著降低，为减少轧制时边裂可通过控制加热温度来进行改善；在900℃以上加热时析出的σ相可重新被固溶，随后快速冷却又可避免475℃脆性。
在高温下铁素体不锈钢存在铁素体与奥氏体的两相区，两相组织的存在将降低钢的热塑性，由于在热加工过程中，铁素体变形时软化主要靠动态回复，而奥氏体变形时主要靠动态再结晶。为控制边部裂纹的产生，应该减少第二相的比例，使得某一相占主导地位。410S钢当温度超过1100℃时，铁素体的比例显著增加；对于430钢当温度低于1100℃时，奥氏体体积分数为25%～35%[6]。T91钢在950～1050℃时，晶粒迅速长大，变形的不均匀性和部分再结晶引起的组织不均匀性均使塑性下降；温度继续升高到1100～1200℃时，再结晶进行完全可获得均匀的奥氏体组织；温度超过1200℃时，铁素体量迅速增加并呈网状分布[7]。
1.3双相不锈钢
双相不锈钢是显微组织为面心立方结构的奥氏体相(γ相)和体心立方的铁素体相(α相)，并且铁素体的体积分数小于10%的不锈钢。σ相是双相不锈钢中最有害的一种析出相，主要由Fe-Cr-Mo等元素构成，是一种硬而脆的金属间相，相中富积了Cr、Mo等主要合金元素。因此分析σ相析出过程、长大机制以及对力学性能的影响显得尤为重要[8]。当温度低于900℃时，σ相析出速度最快，温度高于900℃时，σ相析出速度较慢，σ相重新被固溶，对韧性的影响较弱[9]。双相不锈钢中的金属间相还有χ相、R相、α相、π相和Fe3Cr3Mo2Si2相等，这些相都是脆性相，它们的析出必然会导致双相不锈钢的热塑性降低[10]。
双相不锈钢的热加工区间是γ和δ共存的两相区，故需探讨凝固过程中δ向γ的转变情况。然而，受测试手段限制，以往对高温下δ和γ的组织形态及其相变行为的研究只能借助热处理等间接实验完成，不能实时地对高温组织做出观察分析。但利用CLSM可以观察到：当冷却速度较高时，γ优先在δ晶界上析出并迅速向δ内部长大，其形状以针状为主；冷却速度较低时，γ优先在δ晶界上析出，呈片状，γ端面在向δ内部长大的同时，其侧面也不断长大，相变过程中伴随着δ晶界的迁移[11-12]。
γ相和α相的含量及分布对双相不锈钢的力学性能有很大的影响，利用CSLM进行原位观察发现，在900～1250℃高温条件下γ相随温度的升高而降低，利用γ相含量(%)=76.5-0.032T可进行较为准确的计算[11-12]。
而固溶温度也会对相比例产生影响，随固溶处理温度提高，钢中α相比例增加，γ相比例下降[13]。在冷却凝固过程中由于成分偏析造成铁素体与奥氏体晶界处δ相偏聚导致硬度偏高；高温加热时α相数量明显增加，γ相急剧减少。固溶处理后δ相会向γ相转变使δ/γ界面稳定，避免了网状结构的形成[14]。经不同温度的固溶处理后，原魏氏组织特征已逐渐变得不明显，碳化物逐渐固溶于α和γ相内，并随固溶温度的逐渐升高，γ相的数量逐渐减少，α相的数量逐渐增加[15]。在1050℃固溶处理时发现α和γ相的比例接近于1∶1，具有这种比例的双相不锈钢具有较好的综合性能[16-17]。
1.4沉淀硬化不锈钢
沉淀硬化不锈钢是一类含沉淀硬化元素(Cu、Al、Ti、Nb)的铁铬镍合金，近几年以马氏体型沉淀
硬化不锈钢研究的较多。如17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢经过固溶处理后时效，在晶界、位错等晶体缺陷处形成析出富铜聚团，逐渐长大形成共格相，随时效温度升高及时间的延长，颗粒长大成为独立的富铜相(ε-Cu)。因为在450℃以下时效形成铜原子团聚；在450～480℃时效基体中产生均匀分布的细小沉淀；时效温度高于500℃时富铜相由小球状长成短条状[18]。室温组织为回火马氏体、少量铁素体、弥散分布的富铜相和少量的NbC小颗粒[19]。
δ-铁素体是一种体心立方晶体结构而基体在高温呈面心立方晶体结构，两种结构在外力的作用下(轧制、锻造)，晶格间产生严重错位导致热加工裂纹。根据17-4PH平衡相图，随加热温度的升高，δ通过扩散而溶入单相奥氏体区，加热温度升高到1150℃以上，δ又重新形成。若在高温固溶处理中避免其在高温段进入δ+γ双相区，在γ单相区内延长保温时间让δ在此区间充分转变，并且在冷却过程中快速冷却尽量减少δ可避免这一现象[20]。
马氏体时效不锈钢固溶处理的组织为单一的奥氏体，组织中不应有未溶相，也不允许奥氏体晶粒过于粗大或出现孪晶。如0.007C-13Cr-7Ni-4Co-2W 在固溶处理过程中有两种析出相析出，在800℃固溶处理时基体组织为奥氏体以及0.03%未溶的TiC存在和6.79%的Laves-Fe2Mo相析出；随着固溶温度的升高，TiC和Laves相的数量逐渐减少，TiC在950℃以上、Laves-Fe2Mo相在1050℃以上相继全部溶解到奥氏体中[21]。
1.5马氏体不锈钢
马氏体不锈钢中铬的质量分数为11.5%～18.0%，但碳的质量分数最高可达0.6%，是一类可硬化的不锈钢，为获得优良的力学性能，希望马氏体不锈钢的基体为马氏体组织，钢中的残余奥氏体应尽量少。
影响钢中残余奥氏体数量的主导因素是马氏体转变温度(M s点)和热处理工艺，温度越高，钢中残余奥氏体的含量减少，马氏体含量增加。M s可用式(1)表示[22]：
M s(℃)=1302-42(%Cr)-61(%Ni)-33(%Mn)-
28(%Si)-1667(%[C+N])(1) Cr含量的提高可使M s下降，提高奥氏体基体组织的稳定性。通过调整钢中的镍当量和铬当量来降低或消除马氏体不锈钢中的铁素体含量。热处理会对M s产生影响，采用不同的奥氏体化温度和一次回火可达到提高M s点温度的目的。
2不锈钢高温力学性能研究
由于传统的拉伸试验机只能得到工程应力-应变曲线，不能测定材料的真应力-真应变，近几年国内外对不锈钢高温力学性能方面主要是利用热模拟试验机进行热压缩试验和高温拉伸试验，对不锈钢在高温变形过程中的静态再结晶与动态再结晶、变形抗力、热塑性进行系统的研究[23]，对实际生产中热加工工艺的制定和优化具有指导意义。
影响热变形的主要因素有变形温度、应变速率和变形量,其中变形温度和应变速率对热变形过程的影响更显著。变形温度及应变速率对变形抗力的影响可用式(2)表示[7]：
σ=σ
e（-b1T/T0+b2）ε
觶觶b3ε觶
ε觶0
觶觶（b4+b5T/T0）(2)式中：σ为变形抗力，σ0为变形抗力基值，T为变形温度，ε觶为变形速率，ε为变形程度，b1～b5为回归系数。
(1)当变形程度一定，在相同的应变速率情况下，随温度的升高变形抗力下降。以0.5s-1的应变速率对奥氏体不锈钢进行热压缩变形，950℃时的流变应力为218MPa，而1250℃时的流变应力为56MPa，相差3倍以上[24]。马氏体不锈钢热加工时与奥氏体不锈钢不同的是，当变形程度超过0.4时，随温度的升高，变形抗力呈线性下降，温度每升高50℃，不锈钢的变形抗力下降26MPa[25]。
(2)在变形温度相同的情况下，应变速率越小，钢中的奥氏体和铁素体发生动态回复和动态再结晶越充分，因而软化过程就越显著，变形抗力随之减小；同时，峰值应力和流变应力也随应变速率的减小而下降[26]。
童骏[27]对00Cr25Ni7Mo4N超级双相不锈钢进行研究，变形温度为1200℃时应变速率从0.1s-1增加到10s-1，峰值应力从32MPa增加到102MPa。毛伟强[28]对00Cr22Ni5Mo3N双相钢进行研究，当变形量为70%，应变速率由10s-1提高到50s-1
时，在900～1200℃各试验温度均可发现其峰值应力提高了40～60MPa，这是由于在高的应变速率下，两相的应变分布将变得很不均匀，铁素体获得的应变受到奥氏体的阻碍而出现不连续地软化，从而使应力应变曲线发生波浪形的状态。Lee[29]对316L应变速率从10-3s-1增加到7.5×103s-1时进行压缩试验，发现当应变速率增加时真应力、加工硬化率和应变率敏感性有较大差异,随着局部变形程度的增加，晶粒尺寸逐渐减小，应变速率不断增加；大的应变速率改善钢在1300℃以上的力学性能，大大增加其塑性。
(3)当变形温度一定，在相同的应变速率情况下，应变量增加超过一定值后，应力变化趋于平缓，对变形抗力的影响不是很明显。奥氏体不锈钢在变形初期阶段，随变形量的增加变形抗力上升很快，当应变量大于0.3后应变量的增加对变形抗力的影响不是很明显[24，30]；铁素体不锈钢与之类似，变形程度较小时只发生回复现象，但达到临界值(0.2左右)时，发生再结晶长大；马氏体不锈钢由于Cr、Ni元素的固溶强化作用明显提高钢的变形抗力，当变形程度小于0.5时，随变形量的增加变形抗力上升，而大于0.5时，由于变形引起的温度抵消一部分加工硬化的影响，随变形程度的增加仅使变形抗力略有增加。
目前发展较快的是基于动态材料模型建立在常见形变量之下的热加工图。热加工图是η-T-ε的变化规律，能量消耗效率η取决于热变形温度T和应变效率ε，它可以定量描述合金的热加工过程中组织变化特性。王艳等[24]研究高强度奥氏体不锈钢的热加工图发现，应变量对其热加工图的形状影响不大，不同应变量下的热加工图形状相似；变形温度及应变速率不同，η值明显不同，随变形温度的升高和应变速率的降低，η值逐渐增加，即合金的动态能量消耗能力增强。
近几年，研究奥氏体不锈钢热加工数学模型方面的较多，主要针对其在热加工中发生的各类物理现象，应用于数学模拟可进一步分析变形温度、变形参数与流变应力、再结晶及再结晶晶粒度之间复杂的关系，为建立一个较为全面的针对工业多道次轧制工艺下的数字模型，以及如何应用于数学模型模拟和预测轧制过程中残余应变和内部组织的演变过程打下了基础。3结论
(1)在不锈钢的加热过程中，控制不锈钢高温组织中各种析出相(如δ相、σ相、laves相、ε-Cu)、改变M s点、调整γ相和α相的相对含量及分布，对改善其塑性、抑制热加工过程中的缺陷具有重要意义。
(2)通过分析变形温度、变形速率和应变量对不锈钢高温力学性能的影响可以得出：变形温度升高变形抗力下降；变形速率提高变形抗力增加；在变形初期应变量的增加使钢的变形抗力增加，但增加超过一定值后，应力变化趋于平缓，对变形抗力的影响不是很明显。
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细小且均匀，但保温时间较长；退火温度较高(300～350℃)时，晶粒尺寸比较稳定，且保温时间较短；高温(400℃)退火处理后，短时间内晶粒立即出现异常长大，晶粒粗大且不均匀。
(3)AZ31镁合金的退火处理的最佳温度为280～350℃，在此温度区间，再结晶进行得比较充分，晶粒大小比较稳定、均匀。
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