孙红英等：改进310奥氏体不锈钢长期时效后的组织与性能 ·601 重要候选材料.但是，长期在高温环境下，奥氏体 1 实验材料及方法 不锈钢的性能仍会随着服役时间的延长而发生变化， 严重时导致失效破坏 实验所用材料为实验室开发的改进310奥氏体不 在高温时效过程中，奥氏体不锈钢易于析出第二 锈钢热轧钢板，化学成分（质量分数，%）为：C0.1,Cr 相，引起性能变化因.奥氏体不锈钢中常见的析出相 24.66,Ni19.56,Si0.65,Mo2.15,W0.20,Ti0.20, 有M,C6MC碳化物和σ相、X相金属间化合物.目 V0.15,Zr0.2,Mn0.13,Fe余量. 前，人们对不锈钢中碳化物的析出及其对性能的影响 钢板经1150℃固溶处理30min后，淬水.试样切 的研究已经比较成熟.MC6的析出位置依次为三叉 割成20mm×70mm×7mm的时效试样，在700℃进行 晶界、一般大角晶界、非共格李晶界和非金属夹杂 10、100、500和1000h长期时效处理.时效实验在箱式 物田：其最低析出温度随碳含量的增加向低温方向移 电阻炉内进行，冷却方式为淬水 动.奥氏体不锈钢在600~800℃时效时，MC的长大 样品经研磨和抛光后，在0.5 g FeCl,+6 mL HCl 速率比M,C6慢，因而更容易得到细小的MC同.细小 +10mLH,0溶液中浸蚀15~30s.用Axiovert200 弥散的MC可以有效钉扎位错，抑制晶界移动，阻止晶 MAT光学显微镜(OM)和带有能谱分析仪(EDS)的 粒长大，从而提高材料的强韧性.与碳化物相比，人 FEI Quata2O0扫描电子显微镜(SEM),观察时效试样 的显微结构、拉伸试样的断口和垂直于断口方向的显 们对金属间化合物的析出及其影响的理解和认识还不 太成熟.Sourmail和Bhadeshia发现g相的析出形核 微组织.透射电子显微镜试样先经线切割成0.3m 厚的薄片，再机械磨至厚度小于50m,在电解液 需要高能位置，细化晶粒尺寸促进σ相的析出.多数 学者认为M,C。是g相的先驱；但是Wasnik圆对3l6L (10%高氯酸+90%无水乙醇，0℃，30V)中双喷减薄 后，采用JEM-2010型高分辨透射电子显微镜(TEM) 不锈钢的研究发现，温度低于500℃时，σ相先于 观察析出相的形貌与分布. MC6在位错和晶界上析出.σ相的性质直到最近才 室温拉伸试样采用16m的片状试样，标距为 引起人们的重视，σ相的硬度为17GPa.700℃拉伸 5mm,每组做三个平行试样，拉伸结果取它们的平均 时，6O0MPa的力可使σ相出现裂纹，而X相在该力作 用下未发现裂纹回.X相为体心立方结构，呈短杆状 值.高温拉伸试样为GB/T4338一2006规定的3-M6 棒状试样，实验温度为700℃.将拉伸后的试样在乙 或纺锤状，通常与。相共存@于含Mo的不锈钢中. 醇溶液中超声波清洗l0min,吹干后在扫描电镜下观 目前，M2C。和σ相、σ相和X相的析出顺序仍存在争 察断口，以确定材料的断裂特征和机理.在Leica VM- 议.金属间化合物对材料的力学性能的影响比较复 HT30M型显微硬度仪上测量显微硬度，施加载荷为 杂，仍有待深入研究 2.94N,保载时间为10s,每一试样至少测量三次，结果 第四代核反应堆具有经济型、高效和环保型的优 取其平均值 点，其中超临界水冷堆符合我国一直使用水冷堆的技 术特点，其作业温度在550~700℃，超临界水介质强 2 实验结果与讨论 腐蚀性和核辐照的协同作用，对材料的高温强度和耐 2.1显微组织 腐蚀性能均提出了更高要求.奥氏体不锈钢是超临界 改进310级奥氏体不锈钢经固溶处理后的显微组 水冷堆的候选材料之一，含Cr和Ni较高的310奥氏 织如图1(a)所示.实验钢基体为等轴的单相奥氏体， 体不锈钢是最有希望的钢种.但是，近年来的研究表 平均晶粒直径约100μm.时效1000h后（图1(b)),晶 明商业310不锈钢在600℃的超临界水中其氧化膜剥 粒尺寸几乎不变：晶粒内存在退火孪晶，孪晶因不同的 落，耐腐蚀性较差，在650℃以上的高温蠕变强度较 取向而呈现不同的颜色. 低，同时中子辐照肿胀较大m.为了改善商业310奥 图2是改进310奥氏体不锈钢时效不同时间的扫 氏体不锈钢的高温强度不高、晶间贫铬倾向大、辐照肿 描电子显微镜照片.从图2(a)可以看出，经固溶处理 胀大等缺点，本文通过添加微合金元素Mo、Ti、W等， 后，仍有少量难溶析出相分布于晶界上，尺寸约1~3 在实验室开发了一种新型310级奥氏体不锈钢，其热 μm,这与固溶处理制度和析出相的化学稳定性有关； 轧板在700℃的抗拉强度达450MPa,在900℃氧化 时效1O0h后，晶界处出现链珠状的析出相（图2(b)中 100h后氧化膜致密，附着性好.高温力学性能和耐腐 白色箭头所示)，同时晶内也出现少量析出相（黑色箭 蚀性明显高于商业310奥氏体不锈钢.为了研究新型 头所示)：时效500h后，晶界、孪李晶界和晶内的析出相 310级奥氏体不锈钢的高温组织稳定性，本文对其在 明显增多，晶界因第二相的增多而粗化：时效10O0h 高温时效后的组织与性能进行了研究，为其在长期高 时，晶界析出相没有明显变化，晶内析出相则大量 温服役过程中的组织与性能演变提供实验依据 增加.孙红英等: 改进 310 奥氏体不锈钢长期时效后的组织与性能 重要候选材料［1--2］． 但是，长期在高温环境下，奥氏体 不锈钢的性能仍会随着服役时间的延长而发生变化， 严重时导致失效破坏． 在高温时效过程中，奥氏体不锈钢易于析出第二 相，引起性能变化［3］． 奥氏体不锈钢中常见的析出相 有 M23C6、MC 碳化物和 σ 相、χ 相金属间化合物． 目 前，人们对不锈钢中碳化物的析出及其对性能的影响 的研究已经比较成熟． M23 C6 的析出位置依次为三叉 晶界、一 般 大 角 晶 界、非共格孪晶界和非金属夹杂 物［4］; 其最低析出温度随碳含量的增加向低温方向移 动． 奥氏体不锈钢在 600 ～ 800 ℃ 时效时，MC 的长大 速率比 M23C6 慢，因而更容易得到细小的 MC［5］． 细小 弥散的 MC 可以有效钉扎位错，抑制晶界移动，阻止晶 粒长大，从而提高材料的强韧性［6］． 与碳化物相比，人 们对金属间化合物的析出及其影响的理解和认识还不 太成熟． Sourmail 和 Bhadeshia［7］发现 σ 相的析出形核 需要高能位置，细化晶粒尺寸促进 σ 相的析出． 多数 学者认为 M23C6 是 σ 相的先驱; 但是 Wasnik［8］对 316L 不锈 钢 的 研 究 发 现，温 度 低 于 500 ℃ 时，σ 相 先 于 M23C6 在位错和晶界上析出． σ 相的性质直到最近才 引起人们的重视，σ 相的硬度为 17 GPa． 700 ℃ 拉伸 时，600 MPa 的力可使 σ 相出现裂纹，而 χ 相在该力作 用下未发现裂纹［9］． χ 相为体心立方结构，呈短杆状 或纺锤状，通常与 σ 相共存［10］于含 Mo 的不锈钢中． 目前，M23C6 和 σ 相、σ 相和 χ 相的析出顺序仍存在争 议． 金属间化合物对材料的力学性能的影响比较复 杂，仍有待深入研究． 第四代核反应堆具有经济型、高效和环保型的优 点，其中超临界水冷堆符合我国一直使用水冷堆的技 术特点，其作业温度在 550 ～ 700 ℃，超临界水介质强 腐蚀性和核辐照的协同作用，对材料的高温强度和耐 腐蚀性能均提出了更高要求． 奥氏体不锈钢是超临界 水冷堆的候选材料之一，含 Cr 和 Ni 较高的 310 奥氏 体不锈钢是最有希望的钢种． 但是，近年来的研究表 明商业 310 不锈钢在 600 ℃ 的超临界水中其氧化膜剥 落，耐腐蚀性较差，在 650 ℃ 以上的高温蠕变强度较 低，同时中子辐照肿胀较大［11］． 为了改善商业 310 奥 氏体不锈钢的高温强度不高、晶间贫铬倾向大、辐照肿 胀大等缺点，本文通过添加微合金元素 Mo、Ti、W 等， 在实验室开发了一种新型 310 级奥氏体不锈钢，其热 轧板在 700 ℃ 的抗拉强度达 450 MPa，在 900 ℃ 氧化 100 h 后氧化膜致密，附着性好． 高温力学性能和耐腐 蚀性明显高于商业 310 奥氏体不锈钢． 为了研究新型 310 级奥氏体不锈钢的高温组织稳定性，本文对其在 高温时效后的组织与性能进行了研究，为其在长期高 温服役过程中的组织与性能演变提供实验依据． 1 实验材料及方法 实验所用材料为实验室开发的改进 310 奥氏体不 锈钢热轧钢板，化学成分( 质量分数，% ) 为: C 0. 1，Cr 24. 66，Ni 19. 56，Si 0. 65，Mo 2. 15，W 0. 20，Ti 0. 20， V 0. 15，Zr 0. 2，Mn 0. 13，Fe 余量． 钢板经 1150 ℃固溶处理 30 min 后，淬水． 试样切 割成 20 mm × 70 mm × 7 mm 的时效试样，在 700 ℃进行 10、100、500 和 1000 h 长期时效处理． 时效实验在箱式 电阻炉内进行，冷却方式为淬水． 样品经研磨和抛光后，在 0. 5 g FeCl3 + 6 mL HCl + 10 mL H2 O 溶液中浸蚀 15 ～ 30 s． 用 Axiovert 200 MAT 光学显微镜( OM) 和带有能谱分析仪( EDS) 的 FEI Quata 200 扫描电子显微镜( SEM) ，观察时效试样 的显微结构、拉伸试样的断口和垂直于断口方向的显 微组织． 透射电子显微镜试样先经线切割成 0. 3 mm 厚的 薄 片，再 机 械 磨 至 厚 度 小 于 50 μm，在 电 解 液 ( 10% 高氯酸 + 90% 无水乙醇，0 ℃，30 V) 中双喷减薄 后，采用 JEM--2010 型高分辨透射电子显微镜( TEM) 观察析出相的形貌与分布． 室温拉伸 试 样 采 用 16 mm 的 片 状 试 样，标 距 为 5 mm，每组做三个平行试样，拉伸结果取它们的平均 值． 高温拉伸试样为 GB / T4338—2006 规定的 3--M6 棒状试样，实验温度为 700 ℃ ． 将拉伸后的试样在乙 醇溶液中超声波清洗 10 min，吹干后在扫描电镜下观 察断口，以确定材料的断裂特征和机理． 在 Leica VM￾HT 30M 型显微硬度仪上测量显微硬度，施加载荷为 2. 94 N，保载时间为 10 s，每一试样至少测量三次，结果 取其平均值． 2 实验结果与讨论 2. 1 显微组织 改进 310 级奥氏体不锈钢经固溶处理后的显微组 织如图 1( a) 所示． 实验钢基体为等轴的单相奥氏体， 平均晶粒直径约 100 μm． 时效 1000 h 后( 图 1( b) ) ，晶 粒尺寸几乎不变; 晶粒内存在退火孪晶，孪晶因不同的 取向而呈现不同的颜色． 图 2 是改进 310 奥氏体不锈钢时效不同时间的扫 描电子显微镜照片． 从图 2( a) 可以看出，经固溶处理 后，仍有少量难溶析出相分布于晶界上，尺寸约 1 ～ 3 μm，这与固溶处理制度和析出相的化学稳定性有关; 时效 100 h 后，晶界处出现链珠状的析出相( 图 2( b) 中 白色箭头所示) ，同时晶内也出现少量析出相( 黑色箭 头所示) ; 时效 500 h 后，晶界、孪晶界和晶内的析出相 明显增多，晶界因第二相的增多而粗化; 时效 1000 h 时，晶界 析 出 相 没 有 明 显 变 化，晶 内 析 出 相 则 大 量 增加． · 106 ·