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奧氏體不銹鋼的冷加工強化及去應力處理
來源:
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作者:鼎言熱處理
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發(fā)布時間: 2019-11-12
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奧氏體不銹鋼的冷加工強化及去應力處理
奧氏體不銹鋼不能用熱處理方法強化,但可以通過冷加工變形得以強化(冷作硬化、形變強化),會使強度提高、塑性下降。
1.奧氏體不銹鋼冷加工強化的理論基礎和影響因素
奧氏體不銹鋼冷變形強化的理論和效果與馬氏體不銹鋼及其他金屬相比,有其特殊性。
按一般的冷變形強化理論,許多金屬材料在冷加工變形過程中,會由于晶體產(chǎn)生缺陷、點陣畸變、位錯、亞結構等使晶體滑移受到阻力,從而使金屬得到強化。
奧氏體不銹鋼在冷加工變形過程中,除了產(chǎn)生如同其他金屬材料的冷加工強化現(xiàn)象外,還會因在形變過程中,有部分穩(wěn)定性差的奧氏體轉變成為馬氏體,而增加了奧氏體不銹鋼的強化效果。
如前所述,奧氏體不銹鋼由于M點低于室溫,一般情況下,其室溫組織為奧氏體,不會發(fā)生向馬氏體的轉變過程。但是,受合金元素的影響,奧氏體的穩(wěn)定程度有所不同,有的很穩(wěn)定,有的是相對不穩(wěn)定的,稱其為亞穩(wěn)定奧氏體。穩(wěn)定性強的奧氏體在接受冷加工變形時,仍保持奧氏體組織,而穩(wěn)定性差的奧氏體在冷加工變形過程中,會有一部分奧氏體發(fā)生向馬氏體的轉變。這個由于冷加工變形引起亞穩(wěn)定奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度記Ma,一些研究表明,M4高于M170~350℃,在室溫以。M4點越高,說明奧氏體向馬氏體轉變越容易發(fā)生。影響M點溫度,或者說影響奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的因素很多,如鋼的化學成分、冷加工變形度、冷加工變形溫度等。下面重點說明化學成分和冷加工變形度的影響效果。
(1)化學成分的影響。合金元素對奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的影響是復雜的,綜合各方面的研究報道,基本觀點如下：
①對屈服強度的影響。奧氏體不銹鋼冷變形過程中,在發(fā)生屈服前,由于冷變形量不大,不至于引起大量奧氏體向馬氏體的轉變,此時,強化效果主要是原來固溶于奧氏體中的合金元素的固溶強化作用結果,所以,填隙型合金元素,如碳、氮等作用較大,亦即含碳、氮較多的奧氏體不銹鋼的屈服強度較高。
②對破斷(抗拉)強度的影響。奧氏體不銹鋼在冷變形發(fā)生屈服后,變形量較大,強化效果明顯了,此階段影響奧氏體穩(wěn)定性的因素起主導作用,即降低奧氏體穩(wěn)定性的合金元素影響較大,如硅、鉬、鉻增加冷變形強化效果、提高抗拉強度,而鎳、銅則減小冷變形強化的效果,降低抗拉強度。
實際上,合金元素對奧氏體不銹鋼冷加工變形的強化作用是復雜的,以碳為例,碳既有對奧氏體固溶強化,從而提高奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的作用,也有穩(wěn)定奧氏體,使奧氏體向馬氏體轉變發(fā)生困難,從而降低奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的作用。而且,還會依碳含量的不同,作用程度也不同。圖3-5顯示了碳對兩種奧氏體不銹鋼冷加工強化的影響效果。
從圖3-20可見,當鉻量相同時,鎳的硬化效果隨其含量的增加而減小,這是由于鎳穩(wěn)定了奧氏體,影響了奧氏體向馬氏體轉變的結果。圖3-5含鉻相同而含鎳不同的兩條曲線也驗證了這個結論。
在鎳≤12%的范圍內(nèi),當鎳含量相同時,鉻的硬化效果隨鉻含量的增加而減小,這是因為鉻的增加會使組織中產(chǎn)生8鐵素體,從而使可向馬氏體轉變的奧氏體比例減少。同時,鉻作為合金元素,對奧氏體的轉變點M4也產(chǎn)生一定的降低作用,減弱了發(fā)生轉變的可能性。
在鎳≥14%的范圍內(nèi),鉻對硬化效果的作用不明顯了,這可能是因為此時的奧氏體已經(jīng)很穩(wěn)定了,冷加工變形已不再使奧氏體發(fā)生向馬氏體轉變,鉻只起到固溶強化的作用,隨鉻含量的增加,硬化效果也略有增加。
(2)冷加工變形度的影響。奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的效果與冷加工變形度有較大的關系。一般規(guī)律是隨冷加工變形度的增加,強化效果增大,即屈服強度、抗拉強度提高,而且屈強比也顯著提高,有文獻報道,固溶狀態(tài)奧氏體不銹鋼屈強比般為30%~45%;而冷加工變形強化后,依變形度不同,屈強比最高可達85%~90%,這在多年的生產(chǎn)實踐中也得到了證明,奧氏體不銹鋼冷加工變形度達到10%~12%時,屈強比即可達到70%~75%。當然,隨著強度的增加,其塑性和沖擊韌性將有明顯的降低。圖3-21及表3-4均顯示出了奧氏體不銹鋼隨冷加工變形度的增加對力學性能的影響。
還有,隨著冷加工變形度的增加,奧氏體不銹鋼的磁導率也明顯增加,這也說明,隨著冷加工變形度的增加,奧氏體向馬氏體的轉變量增加了。
冷加工變形雖可使奧氏體不銹鋼強化,但需要對其進行大的冷加工變形,這對于截面較大或形狀復雜的零部件,在工藝上難以實現(xiàn)。
此外,由于冷加工變形后,鋼的塑性、韌性指標下降,又因有較大的應力,會在應力腐蝕環(huán)境中增加應力腐蝕的敏感性,所以,在實際應用中受到一定的限制。
2.冷加工變形強化后的去應力處理
奧氏體不銹鋼或制品(彈簧,螺栓等)經(jīng)冷加工變形強化后,存在較大的加工應力,這種應力的存在導致在應力腐蝕環(huán)境中使用時,增加了應力腐蝕的敏感性,影響尺寸的穩(wěn)定性。為減小應力,可采用去應力處理(有的叫應力松弛處理)。一般是加熱到280-400℃保持2~3h后空冷或緩冷。去應力處理不僅可減少制件的應力,還會在延伸率無大改變的情況下,使硬度強度及彈性極限得到提高,見圖3-22和表3-5
造成困難,還會因為這部分馬氏體過飽和碳及合金的量不足,達不到理想的硬度,也會影響最終的沉淀強化效果,得不到理想的硬度和強度,還影響材料的彈性,所以,對于用0Cr17N7A制造的彈性件的熱處理更應注意這一問題
2.調(diào)整處理
調(diào)整處理的作用是通過加熱使奧氏體中的合金碳化物析出,降低奧氏體的穩(wěn)定性,從而提高馬氏體轉變溫度,以保證奧氏體向馬氏體的轉變,調(diào)整加熱溫度不同,對馬氏體轉變溫度的改變程度也不同,冷卻后馬氏體量也不同,從而反映出硬度上的差別
目前,0Cr17Ni7A在實際生產(chǎn)中的調(diào)整處理一般有兩種溫度選擇。
一種是當對鋼的強度要求不高時,可采用760℃左右的溫度加熱,M點可提高到70℃左右,冷卻后,基體是馬氏體組織,馬氏體中的碳和合金元素有一定程度的過飽和。然后再進行時效處理。
第二種情況是對鋼的強度要求很高時,可采用960℃左右的加熱溫度,此時鋼的M,點在-70~-60℃,冷卻后,基體是碳和合金充分過飽和的奧氏體,然后應再進行一次-73℃左右的冷處理,得到馬氏體組織。這種馬氏體中的碳和合金元素的過飽和程度遠遠高于經(jīng)760℃左右溫度調(diào)整得到的馬氏體中碳和合金元素的過飽和程度。所以,高溫調(diào)整處理并經(jīng)冷處理后得到的馬氏體基體強度高,經(jīng)時效后,沉淀強化的效果也大。有試驗數(shù)據(jù)表明,0Cr17Ni7Al鋼經(jīng)固溶—960℃調(diào)整73℃冷處理
時效處理的強度比固溶—760℃調(diào)整—時效處理的強度能提高20%左右。
調(diào)整處理的作用是調(diào)整M,點,調(diào)整處理溫度的準確程度對處理效果的影響相似于固溶處理。
0c17N7A經(jīng)調(diào)整處理,M,點上升50-90℃,而M點仍然是很低的,所以,為保證調(diào)整處理組織的更好轉變,調(diào)整處理時要保證充分的冷卻。
3.冷處理
0Cr17N7A冷處理的目的是使調(diào)整處理后還存在的奧氏體能繼續(xù)向馬氏體轉變。冷處理一般采用-73℃,較長時間地保持,通常保持h以上,以確保奧氏體的充分轉變。采用-73℃保溫是因為這個溫度已經(jīng)低于經(jīng)過調(diào)整處理(960℃左右調(diào)整)后的M,溫度。由于是在極低的溫度下轉變,才需要有較長的等溫保持時間。處理后再經(jīng)時效處理,使材料獲得高的強度和韌性配合的綜合機械性能。
為保證好的冷處理效果,要注意在調(diào)整處理后盡快進行冷處理,最好不超過1h,最多不要超過8h,因為放置時間長了會促使奧氏體的穩(wěn)定化,影響冷處理效果。
4.冷變形處理
0Cr17i7A鋼的冷變形加工處理,主要是指為獲得絲材、薄板材、帶材的冷加工變形過程。
冷加工變形度會影響M4溫度,從而影響獲得的馬氏體量、最終反映在沉淀硬化后的硬度和強度不同。有試驗研究表明,冷變形加工量大于50%時,才會突顯強化作用。冷變形量越大,時效后沉淀強化的效果越明顯,見表5-6
化合物。時效溫度的確定主要是根據(jù)對性能的要求和時效處理前的經(jīng)歷程序。目前,通常使用的方式有以下幾種。
(1)固溶處理后采用760℃左右溫度調(diào)整處理,時效溫度采用560℃左右,空冷。
(2)固溶處理后采用960℃左右溫度調(diào)整處理,再進行73℃左右溫度冷處理,時效溫度采用510℃左右,空冷。
(3)固溶處理后采用冷加工變形時(如冷拉絲、冷軋板等),時效溫度采用490℃左右,空冷。
時效處理的溫度控制要更精確,最好控制在工藝溫度±5℃范圍內(nèi),時效保溫時間一般要比固溶保溫時間延長1~2倍。以保證沉淀相的充分析出。
奧氏體不銹鋼不能用熱處理方法強化,但可以通過冷加工變形得以強化(冷作硬化、形變強化),會使強度提高、塑性下降。
1.奧氏體不銹鋼冷加工強化的理論基礎和影響因素
奧氏體不銹鋼冷變形強化的理論和效果與馬氏體不銹鋼及其他金屬相比,有其特殊性。
按一般的冷變形強化理論,許多金屬材料在冷加工變形過程中,會由于晶體產(chǎn)生缺陷、點陣畸變、位錯、亞結構等使晶體滑移受到阻力,從而使金屬得到強化。
奧氏體不銹鋼在冷加工變形過程中,除了產(chǎn)生如同其他金屬材料的冷加工強化現(xiàn)象外,還會因在形變過程中,有部分穩(wěn)定性差的奧氏體轉變成為馬氏體,而增加了奧氏體不銹鋼的強化效果。
如前所述,奧氏體不銹鋼由于M點低于室溫,一般情況下,其室溫組織為奧氏體,不會發(fā)生向馬氏體的轉變過程。但是,受合金元素的影響,奧氏體的穩(wěn)定程度有所不同,有的很穩(wěn)定,有的是相對不穩(wěn)定的,稱其為亞穩(wěn)定奧氏體。穩(wěn)定性強的奧氏體在接受冷加工變形時,仍保持奧氏體組織,而穩(wěn)定性差的奧氏體在冷加工變形過程中,會有一部分奧氏體發(fā)生向馬氏體的轉變。這個由于冷加工變形引起亞穩(wěn)定奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度記Ma,一些研究表明,M4高于M170~350℃,在室溫以。M4點越高,說明奧氏體向馬氏體轉變越容易發(fā)生。影響M點溫度,或者說影響奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的因素很多,如鋼的化學成分、冷加工變形度、冷加工變形溫度等。下面重點說明化學成分和冷加工變形度的影響效果。
(1)化學成分的影響。合金元素對奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的影響是復雜的,綜合各方面的研究報道,基本觀點如下：
①對屈服強度的影響。奧氏體不銹鋼冷變形過程中,在發(fā)生屈服前,由于冷變形量不大,不至于引起大量奧氏體向馬氏體的轉變,此時,強化效果主要是原來固溶于奧氏體中的合金元素的固溶強化作用結果,所以,填隙型合金元素,如碳、氮等作用較大,亦即含碳、氮較多的奧氏體不銹鋼的屈服強度較高。
②對破斷(抗拉)強度的影響。奧氏體不銹鋼在冷變形發(fā)生屈服后,變形量較大,強化效果明顯了,此階段影響奧氏體穩(wěn)定性的因素起主導作用,即降低奧氏體穩(wěn)定性的合金元素影響較大,如硅、鉬、鉻增加冷變形強化效果、提高抗拉強度,而鎳、銅則減小冷變形強化的效果,降低抗拉強度。
實際上,合金元素對奧氏體不銹鋼冷加工變形的強化作用是復雜的,以碳為例,碳既有對奧氏體固溶強化,從而提高奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的作用,也有穩(wěn)定奧氏體,使奧氏體向馬氏體轉變發(fā)生困難,從而降低奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的作用。而且,還會依碳含量的不同,作用程度也不同。圖3-5顯示了碳對兩種奧氏體不銹鋼冷加工強化的影響效果。
在鎳≤12%的范圍內(nèi),當鎳含量相同時,鉻的硬化效果隨鉻含量的增加而減小,這是因為鉻的增加會使組織中產(chǎn)生8鐵素體,從而使可向馬氏體轉變的奧氏體比例減少。同時,鉻作為合金元素,對奧氏體的轉變點M4也產(chǎn)生一定的降低作用,減弱了發(fā)生轉變的可能性。
在鎳≥14%的范圍內(nèi),鉻對硬化效果的作用不明顯了,這可能是因為此時的奧氏體已經(jīng)很穩(wěn)定了,冷加工變形已不再使奧氏體發(fā)生向馬氏體轉變,鉻只起到固溶強化的作用,隨鉻含量的增加,硬化效果也略有增加。
(2)冷加工變形度的影響。奧氏體不銹鋼冷加工變形強化的效果與冷加工變形度有較大的關系。一般規(guī)律是隨冷加工變形度的增加,強化效果增大,即屈服強度、抗拉強度提高,而且屈強比也顯著提高,有文獻報道,固溶狀態(tài)奧氏體不銹鋼屈強比般為30%~45%;而冷加工變形強化后,依變形度不同,屈強比最高可達85%~90%,這在多年的生產(chǎn)實踐中也得到了證明,奧氏體不銹鋼冷加工變形度達到10%~12%時,屈強比即可達到70%~75%。當然,隨著強度的增加,其塑性和沖擊韌性將有明顯的降低。圖3-21及表3-4均顯示出了奧氏體不銹鋼隨冷加工變形度的增加對力學性能的影響。
冷加工變形雖可使奧氏體不銹鋼強化,但需要對其進行大的冷加工變形,這對于截面較大或形狀復雜的零部件,在工藝上難以實現(xiàn)。
此外,由于冷加工變形后,鋼的塑性、韌性指標下降,又因有較大的應力,會在應力腐蝕環(huán)境中增加應力腐蝕的敏感性,所以,在實際應用中受到一定的限制。
2.冷加工變形強化后的去應力處理
奧氏體不銹鋼或制品(彈簧,螺栓等)經(jīng)冷加工變形強化后,存在較大的加工應力,這種應力的存在導致在應力腐蝕環(huán)境中使用時,增加了應力腐蝕的敏感性,影響尺寸的穩(wěn)定性。為減小應力,可采用去應力處理(有的叫應力松弛處理)。一般是加熱到280-400℃保持2~3h后空冷或緩冷。去應力處理不僅可減少制件的應力,還會在延伸率無大改變的情況下,使硬度強度及彈性極限得到提高,見圖3-22和表3-5
2.調(diào)整處理
調(diào)整處理的作用是通過加熱使奧氏體中的合金碳化物析出,降低奧氏體的穩(wěn)定性,從而提高馬氏體轉變溫度,以保證奧氏體向馬氏體的轉變,調(diào)整加熱溫度不同,對馬氏體轉變溫度的改變程度也不同,冷卻后馬氏體量也不同,從而反映出硬度上的差別
目前,0Cr17Ni7A在實際生產(chǎn)中的調(diào)整處理一般有兩種溫度選擇。
一種是當對鋼的強度要求不高時,可采用760℃左右的溫度加熱,M點可提高到70℃左右,冷卻后,基體是馬氏體組織,馬氏體中的碳和合金元素有一定程度的過飽和。然后再進行時效處理。
第二種情況是對鋼的強度要求很高時,可采用960℃左右的加熱溫度,此時鋼的M,點在-70~-60℃,冷卻后,基體是碳和合金充分過飽和的奧氏體,然后應再進行一次-73℃左右的冷處理,得到馬氏體組織。這種馬氏體中的碳和合金元素的過飽和程度遠遠高于經(jīng)760℃左右溫度調(diào)整得到的馬氏體中碳和合金元素的過飽和程度。所以,高溫調(diào)整處理并經(jīng)冷處理后得到的馬氏體基體強度高,經(jīng)時效后,沉淀強化的效果也大。有試驗數(shù)據(jù)表明,0Cr17Ni7Al鋼經(jīng)固溶—960℃調(diào)整73℃冷處理
時效處理的強度比固溶—760℃調(diào)整—時效處理的強度能提高20%左右。
調(diào)整處理的作用是調(diào)整M,點,調(diào)整處理溫度的準確程度對處理效果的影響相似于固溶處理。
0c17N7A經(jīng)調(diào)整處理,M,點上升50-90℃,而M點仍然是很低的,所以,為保證調(diào)整處理組織的更好轉變,調(diào)整處理時要保證充分的冷卻。
3.冷處理
0Cr17N7A冷處理的目的是使調(diào)整處理后還存在的奧氏體能繼續(xù)向馬氏體轉變。冷處理一般采用-73℃,較長時間地保持,通常保持h以上,以確保奧氏體的充分轉變。采用-73℃保溫是因為這個溫度已經(jīng)低于經(jīng)過調(diào)整處理(960℃左右調(diào)整)后的M,溫度。由于是在極低的溫度下轉變,才需要有較長的等溫保持時間。處理后再經(jīng)時效處理,使材料獲得高的強度和韌性配合的綜合機械性能。
為保證好的冷處理效果,要注意在調(diào)整處理后盡快進行冷處理,最好不超過1h,最多不要超過8h,因為放置時間長了會促使奧氏體的穩(wěn)定化,影響冷處理效果。
4.冷變形處理
0Cr17i7A鋼的冷變形加工處理,主要是指為獲得絲材、薄板材、帶材的冷加工變形過程。
冷加工變形度會影響M4溫度,從而影響獲得的馬氏體量、最終反映在沉淀硬化后的硬度和強度不同。有試驗研究表明,冷變形加工量大于50%時,才會突顯強化作用。冷變形量越大,時效后沉淀強化的效果越明顯,見表5-6
(1)固溶處理后采用760℃左右溫度調(diào)整處理,時效溫度采用560℃左右,空冷。
(2)固溶處理后采用960℃左右溫度調(diào)整處理,再進行73℃左右溫度冷處理,時效溫度采用510℃左右,空冷。
(3)固溶處理后采用冷加工變形時(如冷拉絲、冷軋板等),時效溫度采用490℃左右,空冷。
時效處理的溫度控制要更精確,最好控制在工藝溫度±5℃范圍內(nèi),時效保溫時間一般要比固溶保溫時間延長1~2倍。以保證沉淀相的充分析出。
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