海工用高強(qiáng)韌高氮鋼組織與性能研究.pdf

1、隨著我國(guó)海洋工程的發(fā)展，海工用鋼領(lǐng)域急需大量兼具高強(qiáng)度和耐腐蝕的緊固件螺栓鋼，其中10.9級(jí)以上的高強(qiáng)度螺柱及其用鋼大部分仍需從國(guó)外進(jìn)口。本文以海工用螺栓鋼為背景，采用工業(yè)化生產(chǎn)手段，制備出一種綜合力學(xué)性能十分優(yōu)良的Cr20Mn18N0.8高氮不銹鋼。對(duì)高氮鋼進(jìn)行了固溶處理和時(shí)效處理，并對(duì)各組試樣進(jìn)行了顯微組織分析、拉伸性能測(cè)試、耐腐蝕性能測(cè)試、沖擊韌性試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。針對(duì)高氮鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理與層錯(cuò)能之間的關(guān)系，優(yōu)化了層錯(cuò)能(SFE)計(jì)算

2、的熱力學(xué)模型，并結(jié)合舍夫勒組織圖和應(yīng)力應(yīng)變與層錯(cuò)能的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)高氮鋼“成分—組織—層錯(cuò)能—力學(xué)性能”的定量關(guān)系。研究結(jié)果表明:
　　(1)Cr20Mn18N0.8高氮鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，較高的條件疲勞強(qiáng)度，良好的耐點(diǎn)蝕性能，可滿足大多數(shù)海工用鋼的性能要求。
　　(2)固溶態(tài)高氮鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到640Mpa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到970Mpa，且具有52％左右的延伸率和43％的斷面收縮率，缺口敏感系數(shù)(NSR)高達(dá)1.22,具有優(yōu)

3、異的強(qiáng)韌性配合;在角度為4°、8°的偏斜缺口拉伸條件下，屈服強(qiáng)度保持在720Mpa左右，抗拉強(qiáng)度保持在1000Mpa，NSR保持在1.03左右;高氮鋼的條件疲勞極限σ-1為330Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于304不銹鋼236Mpa的條件疲勞極限σ-1;高氮鋼在室溫和低溫-40℃下的沖擊吸收功平均值高達(dá)311J和280J，沖擊斷口形貌為撕裂狀等軸韌窩，屬于韌性斷裂，具有良好室溫及低溫沖擊韌性。
　　(3)時(shí)效處理態(tài)高氮鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本等

4、同于固溶態(tài)，延伸率平均達(dá)到48％，斷面收縮率平均為36％，對(duì)比固溶態(tài)略有下降，平均缺口敏感系數(shù)(NSR)達(dá)到1.16,依然具有良好的強(qiáng)韌性配合;在角度為4°、8°的偏斜缺口拉伸條件下，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本等同于固溶態(tài)，NSR保持在1.15左右;時(shí)效處理態(tài)高氮鋼在室溫和低溫-40℃下隨著時(shí)效時(shí)間的增加，沖擊吸收功大幅下降，在低溫-40℃下更為明顯，沖擊斷口形貌由等軸韌窩向冰糖狀結(jié)晶逐漸演變;XRD衍射試驗(yàn)表明，經(jīng)時(shí)效后拉伸的高氮鋼析出相

5、均含有Cr2N衍射峰，其中時(shí)效4h的高氮鋼析出相不僅有大量的Cr2N衍射峰還有一定量的ε相衍射峰——機(jī)械孿晶，即時(shí)效處理的高氮鋼在拉伸形變過程中發(fā)生了孿晶誘導(dǎo)塑性效應(yīng)(TWIP)，這也驗(yàn)證了為何經(jīng)過時(shí)效處理后高氮鋼依然具有較好的塑性。
　　(4)化學(xué)侵泡腐蝕試驗(yàn)表明，在短短24h情況下316L不銹鋼就出現(xiàn)了點(diǎn)蝕坑，而高氮鋼直到240h仍未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。在NaCl溶液下的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)中，在相同的腐蝕電流下，試驗(yàn)高氮鋼的電位大

6、大高于316L不銹鋼，高氮鋼耐腐蝕性明顯高于316L不銹鋼。
　　(5)使用本文改進(jìn)的熱力學(xué)模型計(jì)算了文獻(xiàn)中經(jīng)XRD衍射或TEM測(cè)量的已知成分不銹鋼的層錯(cuò)能，結(jié)果表明計(jì)算值與文獻(xiàn)值符合較好。計(jì)算得出固溶態(tài)高氮鋼的層錯(cuò)能為14.73mJ/m2,將此計(jì)算值代入層錯(cuò)能與屈服強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)公式，得出屈服發(fā)生時(shí)應(yīng)力應(yīng)變的理論計(jì)算值和拉伸實(shí)驗(yàn)值基本一致。再結(jié)合固溶處理高氮鋼和時(shí)效處理高氮鋼的拉伸力學(xué)性能，得到了層錯(cuò)能對(duì)材料強(qiáng)韌性的影響規(guī)