410s与430铁素体不锈钢高温热物理性能的研究试验*

2021-01-12居春艳

机械研究与应用 2020年6期

居春艳

(兰州理工大学技术工程学院，甘肃兰州 730300)

0 引言

铁素体不锈钢具有抗氧化性好、耐应力腐蚀，价格低廉等特点，多用于制造耐大气、水蒸气及氧化性酸腐蚀的零部件。410s不锈钢可用于厨房用具，建筑工业等；430不锈钢可用于化工设备、汽车排气系统等。目前，对于上述两种不锈钢的研究主要集中在力学性能、耐腐蚀性能、冶炼过程等方面。受测试手段限制，不锈钢的高温相变行为研究较少，与之相应的热物理性能数据更是缺乏。作为研究相变重要的手段之一，热物理性能的研究为不锈钢生产和应用提供重要参考[1]。笔者通过相应的热物理性能测试，得出410 s和430两种不锈钢的平均线膨胀系数、热容和导热系数数据，并结合数据，分析讨论了两种不锈钢在加热过程中的相变及主要影响因素。为生产实际中，通过温度控制铁素体不锈钢热物理特性来满足不同的使用环境提了供参考依据，该试验研究具有重大的工程意义。

1 试验材料及方法

试验用材料取自工业生产铁素体不锈钢410 s和430连铸坯，沿铸坯1/4厚，1/4宽取样，化学成分如表1所列。

表1 410 s和430不锈钢的化学成分 (质量分数，%)

热膨胀分析在耐弛METZSCH DIL 402PC型水平推杆卧式膨胀仪上进行，试样为圆柱形，直径Ф=6 mm，长度L=25 mm，两端面平行，圆柱面光滑，以3 ℃/min的速率从室温加热到1 200 ℃；热分析在耐弛METZSCH STA 449C同步热分析仪上进行，试样为圆形薄片，直径Ф=3 mm，厚度H=2 mm，以10 ℃/min的速率从室温加热到1 400 ℃；导热系数在耐弛LFA-457激光热常数测试仪上进行，测量室温至1 000 ℃之间的导热系数。试样为圆形薄片，直径Ф=12.7 mm，厚度H=1 mm。

2 分析与讨论

2.1 热膨胀系数

材料的热膨胀特性可用线膨胀系数、体膨胀系数、平均线膨胀系数及热膨胀率表示。因固体材料的并非常数，随温度升高而增大，故采用平均线膨胀系数来表示不锈钢的热膨胀特性，其计算表达式[2]为：

(1)

式中：t0、t为测试温度范围的初始温度与终了温度，由L0、L为试样在初始温度与终了温度的长度。

图1所示为铁素体不锈钢410 s和430平均线膨胀系数的变化曲线。410 s不锈钢中奥氏体转变起始温度为855 ℃，终止于888 ℃；430不锈钢转变开始温度为895 ℃，终止于912 ℃。转变终止后，两种不锈钢的平均线膨胀系数随温度的上升迅速增加，在此阶段，原子振动随着温度的升高更加剧烈，因而，平均线膨胀系数增加的程度明显大于低温阶段。

图1 410 s和430不锈钢热膨胀系数对比图

不锈钢中添加的铬、镍、锰、铜等合金元素将影响铁基体的膨胀系数，溶质元素的膨胀系数高于溶剂基体时，将增大膨胀系数；溶质元素的膨胀系数低于溶剂基体时，将减小膨胀系数，含量越高，影响越大。室温～100℃时，铁的膨胀系数[1]为11.76×10-6/℃，铬、镍、锰、铜的膨胀系数[1]分别为：6.2×10-6/℃，13.4×10-6/℃，37×10-6/℃，17×10-6/℃，除铬以外，其它三种元素的膨胀系数均高于铁基的膨胀系数。两种不锈钢在化学成分上存在差异，铬含量相差3.9%，因此，在一定程度上降低了430不锈钢的线膨胀系数。

钢中的合金元素对铁素体、奥氏体的相对稳定性以及同素异构转变温度A3有着极大的影响。镍和锰元素与奥氏体无限互溶，开启奥氏体相区；碳、氮和铜元素与奥氏体有限互溶，扩展奥氏体相区，均为奥氏体形成元素，这些元素使得A3温度降低。铬和钼元素为铁素体形成元素，铬元素与铁素体无限互溶，钼元素与铁素体有限互溶，均封闭奥氏体相区，使A3温度升高。410 s不锈钢中，奥氏体形成元素质量分数，铁素体形成元素质量分数，430不锈钢中，奥氏体形成元素质量分数，铁素体形成元素质量分数。两种不锈钢的A3温度均比纯铁的低，说明转变温度主要受奥氏体形成元素的影响。两种不锈钢中奥氏体形成元素的质量分数相差小，仅为0.107%，故可认为奥氏体形成元素对410 s和430不锈钢A3温度的降低程度基本相同。两种不锈钢的转变开始温度相差40 ℃，主要是因为430不锈钢中铁素体形成元素的质量分数高，二者相差3.91%，铁素体形成元素提高了转变温度，故430不锈钢的A3转变温度高于410 s不锈钢。

2.2 比热容

比热容是单位质量物质的热容量。对于金属材料而言，受热后体积变化没有气体体积变化显著，因而，近似认为定容比热容和定压比热容是相等的[2]，定压比热容便于测量，因此用定压比热容来表示不锈钢的比热容。试验设备为STA 449C同步热分析仪，纯Al2O3作为标样，依次测量基线、标样线、样品线，再运用DSC分析软件，计算同一温度下样品和标准试样的热流速率偏离基线的比值，得出试样的比热容值。

试样在加热过程中，如果无相变发生，热容和温度之间成线性关系。从图2可知，两种不锈钢的热容-温度曲线均出现偏离线性的区域，即偏离区域有相变发生。410 s不锈钢第一个峰为发生磁性转变时产生的热效应。起始温度为676 ℃，终止温度为740 ℃，铁磁性向顺磁性的转变为二级相变，该转变是在一个温度范围内逐步完成的。第二个峰为铁素体向奥氏体转变过程中产生的热效应。铁素体-奥氏体相变为一级相变，转变温度为873 ℃，比热容为1.09 J/(g.k)，因为奥氏体相的比热容比铁素体相小，故曲线上比热容数值开始减小，897 ℃时，转变全部完成，此时全部为奥氏体相，比热容值为1.01 J/(g.k)。随温度升高，比热容数值开始线性增加。第三个峰为奥氏体向高温铁素体转变过程中产生的热效应。该相变也是一级相变，比热容值与温度之间呈线性关系。温度升至1 177 ℃时，奥氏体开始向高温铁素体转变，转变结束温度为1 267 ℃。

图2 410 s和430不锈钢热容曲线

430不锈钢第一个热效应峰起始温度为640 ℃，终止温度为703 ℃，该峰同样为430不锈钢磁性转变时产生的热效应。第二个峰为铁素体-奥氏体相变热效应，转变温度为862 ℃，该峰为铁素体向奥氏体转变时的热效应。两种不锈钢测得的奥氏体相变转变温度与通过热膨胀测定的转变温度基本一致。

2.3 导热系数

材料导热系数测量方法有稳态法和非稳态法。非稳态法测量导热系所需的时间较短，热损失的影响比稳态法小得多，且可以通过实验消去。试验时，令试样上的温度形成某种规律的变化，通过测量温度随时间变化以获得热扩散率值，在已知比热容和密度的条件下，求得材料的导热系数[3]。

金属及其合金材料热扩散率的测定，应用最广泛和最受欢迎的方法是闪射法，又称为激光加热法[4]。该方法使用一束短促的激光脉冲加热试样正面，通过红外监测器测量试样背面温度随时间的变化，得到样品的热扩散率α，同时测量出试样的比热Cp，在已知样品密度ρ的情况下，可以计算试样的导热系数，公式如下：

Δλ(T)=α(T).Cp(T).ρ

(3)

室温下测得410 s与430不锈钢的密度分别为：7.73 g/cm2，7.68 g/cm2。

如图3所示为两种不锈钢的热扩散率对比图。由图可知，410 s和430不锈钢热扩散率随着温度的变化趋势基本一致。温度低于700 ℃时，随着温度的升高而降低；温度超过700 ℃后，热扩散率逐渐增加。该趋势与热膨胀系数和比热容反映出来的趋势相一致。

图3 410 s和430不锈钢热扩散率对比图

将不锈钢的比热容，热扩散率和密度值分别代入式(4)中，计算出对应温度的导热系数，结果如图4所示。从图4可以看出，室温至700 ℃之间，410 s和430不锈钢的导热系数随温度的上升稍有减小，相对平缓，没有较大的波动。导热系数受到比热容和热扩散率两个因素的影响，在此温度范围内，比热容随温度的上升而增加，热扩散率与之相反，随温度的上升而减小，且减小的程度略大于增加的程度，为主导因素，因而，导热系数略微减少。温度超过700 ℃后，比热容和热扩散率都随着温度的升高而增加，两种不锈钢的导热系数迅速增加。