谭 威，王宇顺

（三一电气有限责任公司，北京 102202）

304奥氏体不锈钢的高温拉伸行为和形变组织研究

谭 威，王宇顺

（三一电气有限责任公司，北京 102202）

利用金相显微镜、SEM、拉伸试验机研究铸态304奥氏体不锈钢在高温下的力学性能和变形组织特征。结果表明，随着温度的升高，304不锈钢的强度在300～950℃迅速下降，950～1250℃下降变缓；延伸率在950℃时达到最大，为86.28%；断面收缩率在950℃时最大，为94.45%。同时对304不锈钢高温拉伸试样断口进行了宏观和微观形貌观察，并探讨了断口形貌的成因及影响材料塑、韧性的因素。

304不锈钢；高温力学性能；奥氏体不锈钢

不锈钢具有良好的耐蚀性、优良的抗氧化性和较高的力学性能，在航空、化工、能源等方面都得到广泛的应用。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的研究，为新型不锈钢的研发及不锈钢在生产中消除热裂纹等缺陷提供了理论依据[1]。

本文通过高温拉伸试验，测定不同温度下铸态304奥氏体不锈钢的抗拉强度、延伸率、断面收缩率，并根据试样断口的组织形貌对断裂机理进行探讨，为铸态304不锈钢热加工及高温力学性能提供重要的基础数据。

1 试验材料及方法

试验用材料为铸态304奥氏体不锈钢，其主要成分见表1。在距离连铸坯表面1/4处晶粒的大小适中，有利于对铸坯组织与力学性能的研究，本次试验试样均从铸坯厚度方向1/4处取样。试样规格为 ø10mm×120mm×M18，按照国标 GB/T 4338－2006进行机加工和高温拉伸试验，如图1所示。

表1 304不锈钢的化学成分(wt%)

试验使用岛津AG-10TA程控万能材料试验机，对304不锈钢进行高温拉伸试验，测定不同温度下的抗拉强度、延伸率、断面收缩率。试验结束后立即取出拉伸试样，在15﹪的盐水中快速冷却，通过JSM-6700F扫描电子显微镜对试样断口形貌进行观察，然后将拉伸试样断口磨平、抛光，用王水溶液进行化学腐蚀，在光学显微镜下观察金相组织。

2 试验结果与分析

2.1 热塑性曲线

304不锈钢热塑性曲线见图2。其中Rm代表抗拉强度，A代表延伸率，Z代表断面收缩率。由抗拉强度随温度的变化曲线可知,变形温度在300～950℃范围内,抗拉强度呈线性迅速降低,在300℃时为392.12MPa，而950℃时只有30.18MPa；变形温度在950～1250℃范围内，抗拉强度下降趋势变得平缓,在1000℃时为 24.48MPa，1250℃时为 8.47MPa。

由延伸率随温度变化的曲线可知，试样在300～600℃延伸率的变化不是很大，在500℃时延伸率仅为22.4%。在600～950℃，随温度的升高延伸率迅速上升，950℃时延伸率达到最大值86.28%。在950～1050℃范围内延伸率又呈现明显的下降趋势,在1050℃拉伸时,试样的延伸率只有40.16%。在1050～1250℃范围内延伸率又呈现上升趋势，在1050℃拉伸时，试样的延伸率只有67.24%。

由304不锈钢断面收缩率随温度变化的曲线可知，试样在300～600℃范围内断面收缩率变化不大，300℃时断面收缩率为53.36%。600～950℃范围内断面收缩率迅速升高，950℃时断面收缩率达到最大值94.45%。加热温度在950～1250℃范围内试样断面收缩率变化不大。

碳、氮等间隙原子偏聚于拉应力区所形成的柯氏气团对位错的钉扎属于短程力，因温度升高而引起的原子热振动有助于克服这种阻力，所以随着温度升高，材料的强度会逐渐降低[2]。另外大量研究和实际经验发现，当断面收缩率大于60%时，铸坯不出现裂纹；当断面收缩率小于60%时，铸坯裂纹敏感性增高[3、4]。故一般以收缩率等于60%作为临界值来划分高塑性区和低塑性区的温度范围，可见304不锈钢在高温下一直具有较好的塑性。结合304不锈钢的断面收缩率，得到900～1000℃范围内为最佳塑性区。

2.2 断口分析

通过JSM-6700F扫描电子显微镜对拉伸试样的断口形貌进行观察。由图3可以看到，300℃时宏观断口较平坦；微观断口有大量韧窝，韧窝尺寸较小，周围有二次撕裂特征。800℃宏观断口心部和边部均有尺寸较大的孔洞，主要为塑性变形后期拉拔所致；微观断口的韧窝尺寸较300℃有所增大，且沿滑移方向被拉长。1050℃宏观断口中微孔由心部聚集向外扩展，纤维区约占整个断面的2/3；微观断口为拉长的网状韧窝，周围有韧性撕裂特征。1250℃为杯锥状断口，主要由纤维区和剪切唇区组成，纤维区约占整个断面的1/5，裂纹在试样心部以微孔聚合的形式萌生，随后向周围扩展，达到平面应力状态时发生剪切断裂后形成剪切唇。

当裂纹萌生时，靠近裂纹前端处，由于应力状态基本是三向的，故裂纹萌生机制起作用后，会形成类似于韧窝的空穴。由于奥氏体面心立方结构有许多滑移系统，为应力集中提供了充分释放应力的机会。由于出现次级滑移，位错塞积列被松弛，因而解理裂纹不可能在塑性区萌生,韧窝的大小和分布与基体中析出相以及夹杂物的大小、分布有密切关系。

2.3 金相组织分析

拉伸试样断口磨平、抛光，用王水溶液进行化学腐蚀，然后在光学显微镜下观察金相组织。图4（a）为304不锈钢铸态组织，其中白色的基体为奥氏体，其上分布的黑色条状和网状的δ铁素体。比较图4（b）、（c），发现 800～900℃温度区间，网状的 δ 铁素体明显减少。如图(d)所示，1050℃时网状的δ铁素体已经消失，δ铁素体主要呈条状，尺寸也明显变小。从图(e)、(f)可见1150℃和1250℃时δ铁素体已变为小颗粒状，较均匀的分布在奥氏体基体上。

当奥氏体不锈钢中存在δ铁素体时，δ铁素体含量的多少对钢的热塑性有着相当重要的影响，铁素体的存在降低了奥氏体不锈钢的高温塑性，主要原因为，δ铁素体是一种高温体心立方结构，而奥氏体基体是高温面心立方结构。在高温拉伸时，这两种结构在外力的作用下，晶格会产生严重的位错，而且由于铁素体的可滑移系比奥氏体多，奥氏体相比铁素体相变形更均匀[5、6]。所以图4中δ铁素体随温度的升高，网状组织逐渐消失并发生球化，也是使其塑性提高的重要原因之一。

3 结论

（1）300～950℃范围内，铸态304不锈钢的抗拉强度呈线性迅速降低，在950～1250℃范围内，下降趋势变得平缓。

（2）铸态304不锈钢的延伸率，在950℃时达到最大，为86.28%。断面收缩率在950℃时达到最大值，为94.45%，900～1000℃范围内为最佳塑性区。

（3）304不锈钢高温拉伸断口主要为韧窝形，韧窝的大小和分布与基体中析出相以及夹杂物的大小、分布有密切关系。

（4）铸态304不锈钢在300～1250℃，δ铁素体随温度的升高网状组织逐渐消失并发生球化，也是使其塑性提高的重要原因之一。

[1]孟亚惠,季根顺,樊丁，等.不锈钢高温组织与高温力学性能研究进展[J].材料热处理技术，2009,38(4):12－16

[2]陈祖伟，戴起勋，李冬升.Cr18Ni9Cu3NbN奥氏体不锈钢的性能研究[J].金属热处理，2010,35(10)：52－55

[3]Suzuki H G,Nishimura S,Yamaguchi S.Characteristics of Embrittlement in Steels above 600℃[J].Tetsu－to－Hagane,1979,65(14):2038.

[4]Suzuki H G,Nishimura S,Imamura J.Hot Ductility in theTemperature Range between 900 and 600℃[J].Tetsu－to－Hagane,1981,67(8):1180.

[5]宫一衡.18－8(Ti)不锈钢坯裂纹研究[J].四川冶金,1995（4）20－27.

[6]朱诚，金方.1Cr18Ni9Ti不锈钢的成分与热塑性的关系[J].上海金属,1995,17（5）41－45.

Study on High Temperature Tensile Behavior and Fracture Characteristics of Cast 304 Austenitic Stainless Steel

TAN Wei,WANG YuShun
(Sany Electric Co.Ltd.,Beijing 102202,Beijing China)

The mechanics properties and microstructure of cast 304 austenitic stainless steel at high temperature have been investigated by means of metallographic microscope,SEM,draw machine respectively resulted in that the tensile strength of 304 stainless steel decreased rapidly with rising of temperature at 300～950℃,this decreasing became slowly at 950～1250℃;elongation was 86.28%,the maximum at 950℃;the reduction ratio of area was 94.45%,the maximum at 950℃.Visual inspection and microexamination of fracture surfaces of tensile specimens of 304 stainless steel have been done.The reasons of affecting the plasticity and toughness of materials have also been discussed.

304 stainless steel;High temperature mechanics properties;Austenitic stainless steel

TG142.72;

A；

1006－9658（2012）02－0043-3

2011-11-27

稿件编号：2011-165

谭威(1981-)，男，工程师，从事不锈钢高温组织与性能及风电齿轮热处理研究