309S奥氏体耐热钢的高温性能研究

黄俊霞,毕洪运,李 实

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

奥氏体耐热钢的铬镍含量高,具有良好的高温强度和抗氧化性能,在工业炉和热交换器等行业应用广泛[1-7]。近年来,为了满足日益苛刻的环保要求,通过提高燃烧温度以改善汽车发动机燃油效率势在必行。因此,排气系统热端部件如歧管等的服役温度也将不断升高。奥氏体耐热不锈钢在排气系统热端的应用越来越多,如高温端歧管用的奥氏体耐热钢309S和304H等。

QIAN Jiong等[8]研究了310S不锈钢经不同温度敏化处理后的晶间腐蚀行为,提出了310S不锈钢的敏化与富碳析出物之间的可能关系。TAVARES S S M 等[9]研究了310S在600～800 ℃下的组织演化和耐蚀性,结果表明:sigma相和碳化物的析出导致了严重的晶间腐蚀,但在此温度区间时效后晶间腐蚀可以修复,修复晶间腐蚀所需时间随着温度的升高而减少。Yashar Behnamian等[10]研究了310不锈钢在500 ℃超临界条件下的氧化和裂纹敏感性,结果表明:沿贫铬区出现的碳化物导致了微裂纹尖端区域晶界的脆性。裂纹区域主要为富铬的氧化物、SiO2和少量的碳化物。这些研究主要集中于温度低于800 ℃的服役条件,高于800 ℃的研究较少,而排气系统歧管的服役温度往往超过800 ℃,并有逐渐升高的趋势。

为此,本文研究了309S奥氏体耐热钢的高温性能,主要包括高温瞬时强度、持久强度和高温疲劳性能,为其在高温条件下的使用提供依据。

1 试验材料与步骤

1.1 试验材料

试验材料为工业化生产的309S奥氏体耐热钢冷轧板,化学成分如表1所示。金相组织为典型的奥氏体退火孪晶组织。

表1 试验用309S的化学成分

1.2 试验方法

高温拉伸试验在带有电阻加热炉的INSTRON 5982拉伸试验机上根据EN ISO6892-2标准进行,拉伸试验的位移速率为1.5 mm/min,测试600、700、800、900和1 000 ℃的高温性能。

高温持久试验在SRD-100型微机控制电子式蠕变持久试验机上进行。试验温度分别为800、900和1 000 ℃。在规定温度和时间范围内选定1个应力水平,并在该应力水平下进行1组试验,然后分别得出该温度下所对应的规定时间的持久强度。

高温疲劳试验在PLD-50型微机控制电液伺服疲劳试验机上进行,试验温度为900 ℃。采用的加载模式为应力控制的拉—拉加载模式,采用的循环频率为15 Hz,采用的循环波形为三角波,相应的循环应力特征如图1所示,其中a为循环应力幅,即循环应力中应力变化的幅值:

(1)

图1 高温疲劳试样的尺寸

高温拉伸、持久和疲劳试样的断口形貌在扫描电镜(SEM,Carl Zeiss Microscopy GmbH,Göttingen,Germany)上观察。

2 试验结果与讨论

2.1 瞬时高温强度及断口形貌

图2是309S奥氏体耐热钢的瞬时高温强度随温度的变化。随着温度的升高,屈服强度和抗拉强度都有显著降低,发生了明显软化。当温度从室温升至600 ℃时,屈服强度从320 MPa降至140 MPa,抗拉强度从670 MPa降至410 MPa,分别降低了56%和39%;当温度从600 ℃升至1 000 ℃时,屈服强度从140 MPa降至45 MPa,抗拉强度从410 MPa降至50 MPa,较600 ℃分别降低了68%和88%,只有室温的14%和7%,软化效应显著。

图2 309S的高温拉伸性能

800和900 ℃高温拉伸断裂试样靠近断口处的金相组织如图3所示。试样组织沿着拉伸方向伸长变形,且晶粒内部出现大量的变形带。900 ℃时,在大的变形晶粒的“锯齿状”晶界周围出现大量的动态再结晶小晶粒。动态再结晶是一个热激活过程,需要满足一定的热力学条件。 800 ℃时温度较低,尚未达到动态再结晶的热力学条件,变形位错在晶界塞积,同时由于晶粒变形的不均匀,在晶界周围区域的驱动力分布也不均匀。当温度升高到900 ℃时,晶界周围具有较大驱动力的区域就会首先发生动态再结晶,出现动态再结晶小晶粒如图3(b)所示。当温度升高到1 000 ℃时,发生完全的动态再结晶软化,高温强度进一步降低。

图3 309S不锈钢的瞬时高温拉伸断口形貌

2.2 高温持久强度及断口形貌

图4是309S不锈钢不同温度下高温持久时间随应力的变化。相同应力条件下,不发生断裂的持久时间随着温度的升高而减少。在45 MPa的应力条件下,800和900 ℃的持久时间分别为317和6.17 h;在15 MPa的应力条件下,900和1 000 ℃的持久时间分别为310.83和40.58 h。这是因为在静载荷的作用下,试样内部的位错不断运动引起裂纹的产生,裂纹不断扩大至试样断裂。一般持续时间与断裂时最大应力之间存在经验关系如式(2):

τ=Ae-Bσ

(2)

式中:τ为持久时间;σ为断裂时的最大应力;A、B是与试验温度、材料有关的常数。

图4 309S不锈钢的断裂应力与持久时间的关系

式(2)两边取对数,根据图4的数据并应用最小二乘法原理得出800、900和1 000 ℃的持久时间与断裂应力的关系如下:

800 ℃时,lgσ=2.107 79-0.176 05lgτ

(3)

900 ℃时,lgσ=1.804 179-0.234 16lgτ

(4)

1 000 ℃时,lgσ=1.536 443-0.224 87lgτ

(5)

由此可以推断出持久时间为1 000 h时,309S不锈钢在800、900和1 000 ℃的断裂应力分别为37.98、12.63和7.27 MPa。

图5(a)～(c)为309S奥氏体耐热钢在800、900和1 000 ℃时持久试样的断口形貌。从图中可以看出,断口处均存在蠕变空洞,部分空洞存在于三叉晶界处,另外持久断口均具有沿晶断裂特征。高温变形有位错滑移、晶界滑动和扩散三种方式,当晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割时形成空洞;晶界上有析出物时,晶界滑动受阻也形成空洞,空洞长大便形成裂纹。与900 ℃相比,800 ℃断口的空洞数量多,空洞尺寸小。根据图5(d)Thermo-calc相图,800 ℃有少量的Cr2N和大量的M23C6析出物,900 ℃时只有M23C6析出物。这些析出物是空洞的形核点,也能阻止空洞进一步连接形成裂纹。

与室温塑性变形相比,金属高温塑性变形时晶界强度和晶粒强度都降低,但因晶界上原子排列不规则,扩散容易通过晶界进行,晶界强度下降较快,晶界滑动与滑移带以及析出物相互作用形成空洞,空洞的扩散连接,导致沿晶断裂。

2.3 900 ℃高温疲劳性能

309S奥氏体耐热钢在900 ℃条件下的疲劳寿命数据如表2所示。根据数据绘制的其在900 ℃条件下的S-N曲线如图6所示。由图6可见,材料所承受的最大循环应力(σmax)越大,则其断裂前所能承受的应力循环次数越少。当σmax为25 MPa时,材料可以经受107周次应力循环而不发生疲劳断裂,即当σmax低于25 MPa时,其疲劳寿命可达到107周次以上。

疲劳极限是材料能够经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力。因此,当采用应力比r为0.1时,309S奥氏体耐热钢的疲劳极限表示为σ0.1,对于疲劳曲线出现明显水平部分的材料,其σmax- lgNf曲线上水平部分对应的应力通常即为材料的疲劳极限。本研究以疲劳极限循环基数N0=107周次时所对应的应力作为其疲劳极限σ0.1,在不同应力水平下逐级进行试验,每个应力水平下至少使用一个试样,当N≥107周次,断裂和不断裂试样所加应力水平之差为5 MPa时,则不断裂试样所受的应力即为材料的疲劳极限σ0.1。

图5 309S奥氏体耐热钢不同温度下的持久试样断口形貌及Thermo-calc相图

表2 309S奥氏体耐热钢在900 ℃下的疲劳寿命数据

图6 309S奥氏体耐热钢在900 ℃的S-N曲线

基于上述方法并结合S-N曲线所确定的309S奥氏体耐热钢在900 ℃下的疲劳极限为25 MPa。

309S奥氏体耐热不锈钢在900 ℃疲劳加载条件下的疲劳裂纹源区和疲劳裂纹扩展区形貌如图7所示。由图可见,应力水平为35 MPa时,疲劳条带间距小,表明循环1周裂纹量较小,裂纹扩展速率较慢,抵抗裂纹扩展能力强。疲劳裂纹扩展到极限位置发生断裂所需的循环次数多;应力水平为65 MPa时,疲劳条带间距相对较大,循环1周裂纹量较大,裂纹扩展速率较快,抵抗裂纹扩展能力弱,疲劳裂纹扩展到极限位置发生断裂所需的循环次数少。疲劳裂纹萌生于疲劳试样的自由表面,并以穿晶方式扩展。

3 结论

(1) 从室温到1 000 ℃,随着温度的升高,309S的屈服强度和抗拉强度有显著降低,发生了明显软化。900 ℃时开始发生动态再结晶,软化效果也随着温度升高而增强。

(2) 根据不同温度和应力水平下的持久试验数据,推断出309S耐热钢1 000 h持久时间在800、900和1 000 ℃下的断裂应力。持久试样的断口形貌有大量的空洞,表现为沿晶的塑性断裂。

(3) 在疲劳极限以上运行所能承受的循环次数和裂纹扩展时间随着应力的增加而减少,疲劳断口形貌表明裂纹萌生于试样的表面并以穿晶方式扩展。