两种常用奥氏体不锈钢形变马氏体研究

两种常用奥氏体不锈钢形变马氏体研究

李顺荣;陈海云;邢璐;杨象岳;褚玲爱

【摘 要】基于奥氏体不锈钢马氏体磁性特征，用 MP30E -S 型铁素体测定仪定量测定马氏体相转变量。对两种常用304，316材料冷成形拉伸试件、波纹管、封头进行了形变马氏体检测试验研究。结果表明：随着工程应变量增加，形变诱发马氏体相的含量因而随之增加，316材料较304材料形变诱发马氏体相含量小得多，形变马氏体相变量的大小与材质、相对变形率有很大的关系。%Based on the

martensite magnetic characteristics of austenitic stainless steel ,the

deformation -induced martensite were tested by using the MP30E -S

measurement instrument for the cold formed ten -sile pieces,bellows and

heads made of two common 304,316 material respectively.The research

shows that the amount of deformation -induced martensite have very

great relation with the deformation and the materials,it increases

immediately as the engineering deformation added ,the deformation -induced mar-tensite of 316 material is more lesser than 304 material.

【期刊名称】《压力容器》

【年(卷),期】2013(000)007

【总页数】6页(P1-5,23)

【关键词】奥氏体不锈钢;磁性测定法;冷成形;形变马氏体

【作 者】李顺荣;陈海云;邢璐;杨象岳;褚玲爱 【作者单位】杭州市特种设备检测院，浙江 杭州 310003;杭州市特种设备检测院，浙江 杭州 310003;杭州市特种设备检测院，浙江 杭州 310003;杭州市特种设备检测院，浙江 杭州 310003;杭州市特种设备检测院，浙江 杭州 310003

【正文语种】中 文

【中图分类】TH142.2;TG142.25

0 引言

奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1050～1150℃，然后水冷，以获得单相奥氏体组织，常用牌号有 0Cr18Ni9(304)，00Cr17Ni14Mo2(316L)，其具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，广泛应用于化工、石化、核工业、轻工、纺织等行业。在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。冷成形是不锈钢弯头、三通、波纹管、封头常见的制造工艺，制造质量影响着整个承压设备的安全，随之也产生了奥氏体不锈钢因加工硬化致使应力腐蚀敏感性升高而失效的问题［1］。相当多的失效案例说明奥氏体不锈钢在冷加工后对介质中有害物质更为敏感，更易形成应力腐蚀开裂［2－6］。

许多奥氏体不锈钢设备发生应力腐蚀都与形变马氏体有关，特别是那些不在焊缝区而在母材部位开裂的情况尤为如此。奥氏体不锈钢的冷加工硬化其实质是产生了形变马氏体，马氏体相变会引起材料物理化学性质的改变，相关研究表明，应力腐蚀敏感性与形变马氏体含量有密切的关系，形变马氏体增强了奥氏体不锈钢的应力腐蚀敏感性和点蚀敏感性［5－12］。通过奥氏体不锈钢拉伸试验对形变马氏体的测试，以及对冷成形奥氏体不锈钢实际波纹管、封头形变马氏体的测试，旨在探索冷成形后奥氏体不锈钢马氏体相变影响因素，提出降低形变马氏体预防措施，防止奥氏体冷成形不锈钢部件使用过程失效。

马氏体组织检测通常采用金相显微镜或扫描电镜观察金相组织并获取组织图片，再通过金相组织图片分析各种组分的含量，金相检测法虽然能够直观地观察组织微观结构并估算各组分含量，但存在取样、制样、腐蚀等工序，存在检测工艺复杂、检测速度慢等问题。奥氏体不锈钢中的奥氏体相为顺磁性，部分奥氏体相发生马氏体相转变后，因马氏体相具有铁磁性，引起材料的磁性发生变化。可见，材料表面的磁场强度变化与材料形变和组织变化密切相关，定量测定奥氏体不锈钢中形变诱发的马氏体的含量，可采用磁性法测定马氏体。文中马氏体相转变量用MP30E－S型铁素体测定仪测定，将磁性大小转变为铁素体含量，称为当量铁素体含量，该种检测方法具有检测工艺简单、检测速度快等特点。

1 试样测试

1.1 平板试样

试验材料选用SUS304和SUS316L奥氏体不锈钢平板试样，其化学成分见表1，试样尺寸为200 mm×20 mm×1 mm，研究段长度为试样中间的100 mm，标出测点位置，两端为拉伸机夹头夹紧部位和预留部位。在室温环境下，在SHT－4305万能试验机上以2 mm/min的速度对试样进行拉伸，到预定变形后，用MP30E－S型铁素体测定仪测定标定点处的马氏体相含量(如图1所示)，再进一步拉伸到更大的变形，重复上面的步骤，直到试样断裂。SUS304试样在第2和第3点中间处发生断裂，而SUS316L在第10和第11点中间处发生断裂，如图2所示。图3，4示出SUS304和SUS316L不锈钢拉伸变形量与马氏体相转变量之间的关系。

表1 试样板材化学成分%元素C Si Mn P S Ni Cr Mo SUS304 0.051 0.048 1.11

0.025 0.019 8.15 18.42—SUS316L 0.03 0.057 1.12 0.028 0.02 14.15 17.56

2.54 图1 马氏体测试

图2 断后试样

图3 SUS304拉伸变形量与马氏体相的关系

图4 SUS316L拉伸变形量与马氏体相的关系

如图3所示，变形量小于15%前，SUS304不锈钢发生了少量的马氏体相变，各测点马氏体相变量基本相等，当变形量达到20%时，各测点处的马氏体含量大约为6.8%;变形量大于20%以后，试样第1，2，3点后马氏体含量开始增加，第2点处马氏体含量迅速增加至最大值，这是由于在该点附近出现局部的塑性变形，引起该点处较大的应力集中，诱发形变马氏体相迅速增多，断裂时第2点处马氏体相含量超过了48%，断口区马氏体相达到49.4%。SUS316L不锈钢在拉伸变形量过程中产生了极少量的马氏体相转变，如图4所示，变形量达到50%，各测点处的马氏体相含量大约为1%，且各测点马氏体相变量基本相等。断裂时第11点处马氏体相含量超过5%，断口区马氏体相达到8.8%。

试验表明，在室温条件下，SUS304和SUS316L亚稳态奥氏体不锈钢会发生形变诱发马氏体组织，均在断口处形变马氏体相最多;但SUS316L形变诱发马氏体相变量远低于SUS304，当变形量超过20%后，SUS304马氏体相变量随应变量的增加而急剧增多。

1.2 波纹管试件

波纹管是用来吸收由于热胀冷缩、机械变形的金属波纹管膨胀节的核心部件，文中SUS304和SUS316L奥氏体不锈钢波纹管试件，公称直径取DN300，其材质与板材试样为同一批材料，板厚1 mm，化学成分如表1所示。对于波纹管不同变形量，采用分步机械胀压成形工艺实现，如图5所示，达到波高后停止加压，不同变形量用游标卡尺测量波高，波高/直径(h/D)即为变形量。在波峰母材区测定马氏体相变量，每波各120°选取3个测点，测试完毕后继续加压，并重复上述步骤。为保证测试结果的正确性和对比性，共胀形3个波F1，F2，F3，且均选取同一方位置测试，其测试图见图5。

图5 机械胀形波纹管马氏体相变量测试

图6，7示出SUS304和SUS316L波纹管试件的相对变形量与形变马氏体相变量关系，波纹管试件变形量最大位置位于波峰，其值大小取决于波高。对于SUS304波纹管试件，随着变形量的增加，形变诱发的马氏体形变量不断增加，相对变形量小于8%时，形变马氏体相变量增加缓慢，马氏体相变量小于10%;相对变形量大于10%时，形变马氏体相变量快速增加，相对变形量15%，马氏体相变量可达30%。而SUS316L波纹管试件出现极少量形变马氏体相变量，相同变形量率下产生的形变马氏体量远低于SUS304材料制波纹管，相对变形量15%，马氏体相变量也只有4.5%，且当变形量大于4%后，形变马氏体量趋于稳定值，几乎没什么变化。

图6 SUS304形变马氏体与变形率的关系

图7 SUS316L马氏体与变形率的关系

1.3 封头试样

取2个冷旋压成形封头，一个规格为EHA4000×16，材质 06Cr19Ni10(S30408)，另一个规格为EHA5300×14，材质SA240－316L，封头板材化学成分见表2。沿封头外表面经向方向等距离取点测试当量铁素体，并且每点测3次取平均值。

表2 封头板材化学成分%元素C Si Mn P S Ni Cr Mo S30408 0.023 0.40 1.09

0.0348 0.0018 9.03 18.15—SA240－316L 0.016 0.512 1.13 0.0316 0.0019

10.139 16.889 2.0385

图8，9分别示出EHA4000×16和EHA5300×14冷旋压成形封头马氏体相变量分布图，可以看出，马氏体相沿封头表面变化规律相似，直变段马氏体相变量最多，过渡区次之，球面部位最少。S30408封头直边段马氏体相变最大值为24%，球面部位马氏体相变量均在10%左右，而SA240－316L封头马氏体相变量远低于S30408，其马氏体相变量小于3%。

封头冷旋压成形是利用两模具的挤压作用，在旋压轮和成形辊之间，毛坯产生局部的塑性变形。该变形以螺旋形方式从中心向边缘“流动”，使毛坯产生连续弯曲，靠近旋压辊一侧的毛坯外侧径向被拉长。因此，直边段变形率最大，马氏体相变量也最大，这与试验检测结果一致。

图8 S30408封头马氏体相分布图

图9 SA240－316L封头马氏体相分布图

2 奥氏体不锈钢冷成形马氏体相变影响因素

形变过程中只发生滑移变形而不发生相变或组织结构变化的奥氏体不锈钢称为稳态奥氏体不锈钢，反之，则称为亚稳态奥氏体不锈钢。对于亚稳态奥氏体不锈钢，冷成形时，部分奥氏体会发生马氏体转变，与原奥氏体保持共格，以切变方式在极短时间内发生无扩散相变，即形变诱导马氏体相变。合金元素影响着奥氏体组织的各种特征参数和微观组织结构，从而决定着相变变化规律。不同合金元素对相变驱动力的不同作用，决定了合金的相变热力学参数，在宏观上表现为对奥氏体组织稳定性的影响，可以通过层错能γ来表示［13］，计算公式如下:

式中 γ——室温奥氏体层错能，mJ/m2

WNi，WCr，WMn，WMo——Ni，Cr，Mn，Mo 的质量分数，%

奥氏体组织稳定性也可通过镍当量W(Ni)eq来表示，镍当量越低，材料稳定性越差，如下式［13］:

式中 WSi，WC——Si，C 的质量分数，%

T——温度，K