·1158 工程科学学报，第37卷，第9期 蚀性能提高.N元素的加入可促进奥氏体不锈钢 所造成的晶粒尺寸变化对力学性能的影响分开，将M 中短程有序畴的出现并增大共面滑移趋势5，因而 号合金的固溶处理时间分别延长至60min和l20min 蠕变性能和疲劳性能也大幅改善.然而，N含量过高 以获得不同晶粒尺寸.金相组织观察采用Zeiss Axio 会使得材料的冷、热加工性能变差，并且会降低抗晶间 Imager金相显微镜，铸态组织采用Beraha侵蚀剂 腐蚀性能和局部腐蚀性能7.Cr、Mo和Ni元素是保 (0.5gK,S20,+20.0 g NH,FHF+100mLH20),得到 证316LN组织稳定性的基本元素，Cr和Mo可提高奥 的金相组织中Cr含量高的部位衬度呈绿色，Cr含量 氏体不锈钢钝化膜的稳定性并增大N的固溶度网，但 低的部位衬度呈白色四.热加工组织和固溶态组织 是Cr和Mo含量过高会增大8、σ等有害相的析出倾 采用60%HNO,电解侵蚀（室温，2.5V电压）.常温拉 向：Ni含量的增加会增大敏化倾向@，不利于改善晶 伸试验在CMT4105微机电子万能试验机上进行，拉伸 间腐蚀性能：因此，确定合理的合金元素含量对 试样（拉伸方向平行于轧制方向）如图1所示，力学性 316LN的生产和应用至关重要. 能结果取两个试样的平均值 本文对不同合金元素含量的316LN不锈钢进行 R20 实验研究，通过分析晶粒尺寸、力学性能和点蚀性能， 研究合金元素含量变化对316LN组织性能的影响，为 确定合理的成分范围从而改善316LN的性能提供实 验依据. 图1常温拉伸试样尺寸（单位：mm) Fig.I Dimension of tensile specimens (unit:mm) 1 实验方法 用于电化学测试的试样尺寸为10mm×10mm× 实验所用的不同成分的316LN奥氏体不锈钢均 3mm,将切割好的试样表面打磨处理后，用铜导线焊 为真空感应熔炼而得，铸锭重20kg.从铸锭上分别切 接，然后用环氧树脂镶样密封，镶嵌好的试样经金相砂 取10mm厚的圆片，并进行均匀化处理，经两道次热轧 纸水磨至2000°，最后用去离子水清洗，无水乙醇脱水， (每道次变形量约为50%)，制成2.7mm厚的板材.主 冷风吹干后置于干燥器中备用. 要化学成分如表1所示，C、S和P质量分数分别为 采用动电位极化曲线法测试样品的点蚀电位.电 <0.01%、<0.005%和<0.005%，其中M号合金为对 化学测试在三电极体系的电化学工作站上进行，参比 比成分 电极为232型甘汞电极(SCE),辅助电极为纯铂片电 表1实验用316LN奥氏体不锈钢的化学成分（质量分数） 极，测试溶液为未除氧的3.5%NaCl溶液，温度为 Table 1 Chemical composition of the 316LN austenitic stainless steel (30±1)℃.从自腐蚀电位以下150mV开始，以 % 20mV·min的扫描速度进行阳极极化，扫描至电流密 编号 N Cr Mo i 度为100μA·cm2后维持1min.以极化曲线上腐蚀电 NI 0.09 16.99 2.27 13.36 流密度100μA·cm2对应的电位为点蚀电位E。,并考 N2 0.16 17.02 2.26 13.40 察0.18V对应的钝化区电流密度，四 N3 0.20 17.52 2.20 13.17 2 结果与讨论 Crl 0.09 14.97 2.28 13.34 Cr2 0.10 15.53 2.18 13.32 2.1合金元素对晶粒尺寸和力学性能的影响 Cr3 0.12 17.80 2.19 13.34 2.1.1N的影响 Mol 0.11 17.02 1.67 13.36 图2为不同N含量的316LN经1100℃固溶处理 Mo2 0.12 16.96 2.82 13.40 40min后水淬得到的组织，图3为采用截点法测量得 Mo3 0.11 17.11 3.55 13.44 到的晶粒尺寸平均值.从图中可以看出，随着N含量 Nil 0.11 17.00 2.32 11.24 的升高，晶粒明显细化，N质量分数从0.09%增加至 Ni2 0.20%时，其平均晶粒尺寸从33.7减小为21.7μm. 0.12 16.97 2.24 12.32 N含量的升高造成316LN晶粒细化主要是由于间 Ni3 0.11 17.04 2.26 14.22 隙N原子（负电荷）与位错和晶界（正电荷）的静电吸 0.12 17.06 2.25 13.29 引力回使得N原子对位错有较大的钉扎作用，而且间 在不同合金元素含量的316LN热轧板材上分别 隙N原子造成的晶格畸变比其他溶质原子都大，这两 取样，经1100℃固溶处理40min后水淬.此外，为了将 个因素均会降低晶界中原子扩散速率和阻碍晶界迁 合金元素对316LN力学性能的影响与合金元素加入 移，从而阻碍在热加工后的固溶处理过程中再结晶晶工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 蚀性能提高［1--4］． N 元素的加入可促进奥氏体不锈钢 中短程有序畴的出现并增大共面滑移趋势［5--6］，因而 蠕变性能和疲劳性能也大幅改善． 然而，N 含量过高 会使得材料的冷、热加工性能变差，并且会降低抗晶间 腐蚀性能和局部腐蚀性能［7--8］． Cr、Mo 和 Ni 元素是保 证 316LN 组织稳定性的基本元素，Cr 和 Mo 可提高奥 氏体不锈钢钝化膜的稳定性并增大 N 的固溶度［9］，但 是 Cr 和 Mo 含量过高会增大 δ、σ 等有害相的析出倾 向; Ni 含量的增加会增大敏化倾向［10］，不利于改善晶 间腐 蚀 性 能． 因 此，确 定 合 理 的 合 金 元 素 含 量 对 316LN 的生产和应用至关重要． 本文对不同合金元素含量的 316LN 不锈钢进行 实验研究，通过分析晶粒尺寸、力学性能和点蚀性能， 研究合金元素含量变化对 316LN 组织性能的影响，为 确定合理的成分范围从而改善 316LN 的性能提供实 验依据． 1 实验方法 实验所用的不同成分的 316LN 奥氏体不锈钢均 为真空感应熔炼而得，铸锭重 20 kg． 从铸锭上分别切 取 10 mm 厚的圆片，并进行均匀化处理，经两道次热轧 ( 每道次变形量约为50% ) ，制成2. 7 mm 厚的板材． 主 要化学成分如表 1 所示，C、S 和 P 质量分数分别为 ＜ 0. 01% 、＜ 0. 005% 和 ＜ 0. 005% ，其中 M 号合金为对 比成分． 表 1 实验用 316LN 奥氏体不锈钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the 316LN austenitic stainless steel % 编号 N Cr Mo Ni N1 0. 09 16. 99 2. 27 13. 36 N2 0. 16 17. 02 2. 26 13. 40 N3 0. 20 17. 52 2. 20 13. 17 Cr1 0. 09 14. 97 2. 28 13. 34 Cr2 0. 10 15. 53 2. 18 13. 32 Cr3 0. 12 17. 80 2. 19 13. 34 Mo1 0. 11 17. 02 1. 67 13. 36 Mo2 0. 12 16. 96 2. 82 13. 40 Mo3 0. 11 17. 11 3. 55 13. 44 Ni1 0. 11 17. 00 2. 32 11. 24 Ni2 0. 12 16. 97 2. 24 12. 32 Ni3 0. 11 17. 04 2. 26 14. 22 M 0. 12 17. 06 2. 25 13. 29 在不同合金元素含量的 316LN 热轧板材上分别 取样，经1100 ℃固溶处理40 min 后水淬． 此外，为了将 合金元素对 316LN 力学性能的影响与合金元素加入 所造成的晶粒尺寸变化对力学性能的影响分开，将 M 号合金的固溶处理时间分别延长至 60 min 和 120 min 以获得不同晶粒尺寸． 金相组织观察采用 Zeiss Axio Imager 金 相 显 微 镜，铸 态 组 织 采 用 Beraha 侵 蚀 剂 ( 0. 5 g K2 S2O5 + 20. 0 g NH4 FHF + 100 mL H2O) ，得到 的金相组织中 Cr 含量高的部位衬度呈绿色，Cr 含量 低的部位衬度呈白色［11］． 热加工组织和固溶态组织 采用 60% HNO3电解侵蚀( 室温，2. 5 V 电压) ． 常温拉 伸试验在 CMT4105 微机电子万能试验机上进行，拉伸 试样( 拉伸方向平行于轧制方向) 如图 1 所示，力学性 能结果取两个试样的平均值． 图 1 常温拉伸试样尺寸( 单位: mm) Fig． 1 Dimension of tensile specimens ( unit: mm) 用于电化学测试的试样尺寸为 10 mm × 10 mm × 3 mm，将切割好的试样表面打磨处理后，用铜导线焊 接，然后用环氧树脂镶样密封，镶嵌好的试样经金相砂 纸水磨至 2000# ，最后用去离子水清洗，无水乙醇脱水， 冷风吹干后置于干燥器中备用． 采用动电位极化曲线法测试样品的点蚀电位． 电 化学测试在三电极体系的电化学工作站上进行，参比 电极为 232 型甘汞电极( SCE) ，辅助电极为纯铂片电 极，测试溶液为未除氧的 3. 5% NaCl 溶 液，温 度 为 ( 30 ± 1) ℃ ． 从 自 腐 蚀 电 位 以 下 150 mV 开 始，以 20 mV·min － 1 的扫描速度进行阳极极化，扫描至电流密 度为 100 μA·cm － 2 后维持 1 min． 以极化曲线上腐蚀电 流密度 100 μA·cm － 2 对应的电位为点蚀电位 Ep，并考 察 0. 18 V 对应的钝化区电流密度 Ip ［12］． 2 结果与讨论 2. 1 合金元素对晶粒尺寸和力学性能的影响 2. 1. 1 N 的影响 图 2 为不同 N 含量的 316LN 经 1100 ℃ 固溶处理 40 min 后水淬得到的组织，图 3 为采用截点法测量得 到的晶粒尺寸平均值． 从图中可以看出，随着 N 含量 的升高，晶粒明显细化，N 质量分数从 0. 09% 增加至 0. 20% 时，其平均晶粒尺寸从 33. 7 减小为 21. 7 μm． N 含量的升高造成316LN 晶粒细化主要是由于间 隙 N 原子( 负电荷) 与位错和晶界( 正电荷) 的静电吸 引力［9］使得 N 原子对位错有较大的钉扎作用，而且间 隙 N 原子造成的晶格畸变比其他溶质原子都大，这两 个因素均会降低晶界中原子扩散速率和阻碍晶界迁 移，从而阻碍在热加工后的固溶处理过程中再结晶晶 ·1158·