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                Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼的成分設計




                合金成分設計思想

                在保證完全均一化的奧氏體的組織的情況下,提高焊接熱影響區粗晶區的性能是新型Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼開發的主旨,其合金設計需要考慮以下幾個方面:

                1)合理的組織。完全奧氏體組織是保持奧氏體不銹鋼特性的保障,為保證不銹鋼在生產和服役過程中均為奧氏體組織,應該加入適量的Ni、Mn、N等奧氏體形成和穩定化元素。

                2)力學性能。固溶強化和析出強化是提高奧氏體不銹鋼焊接熱影響區粗晶區力學性能的常用方法,具有固溶強化作用的合金元素主要有W、Mo等,Al、Nb等元素可以有效地形成細小彌散的析出相。質點強化理論是合金設計中常采用的基本原理。根據質點強化理論,合金的強度與第二相質點的平均間距或f/r呈反比,其中f為質點的體積分數,r為質點的半徑。因此,設計強化沉淀相(如MC等)時應盡可能做到最細小尺寸或最小間距。為此,必須提高形核驅動力和過飽和度,以獲得高形核率和高質點密度,保證合金具有更高的強度。

                3)合理的成本。在Fe-Cr-Ni基礎上添加一定量的Al、Nb元素,可以抑制焊接熱影響區粗晶區奧氏體晶粒的長大,有效地增強粗晶區的力學性能??梢蕴娲恍└叱杀镜匿摲N,從而降低了制作儲置罐的成本。

                此外,熱力學作為認識金屬微觀組織的基礎,可以給出有關多項平衡的數據,熱力學計算已成為合金設計的常用輔助手段,通過熱力學計算可獲得合計你的平衡相圖,確定合金中的各相的轉變溫度,合金元素對相組成及相變溫度的影響。

                合金元素的作用

                310S鋼作為Fe-Cr-Ni基奧氏體不銹鋼中的代表鋼種,其主要的合金元素有C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Al、Nb等,根據各個元素在不銹鋼中的作用,可以分為奧氏體穩定化元素、抗腐蝕元素和析出強化元素。

                奧氏體穩定化元素Ni、Mn

                Ni是典型的奧氏體形成和穩定元素,傳統Cr-Ni不銹鋼中均含有較高含量的Ni,以擴大奧氏體相區。而且,Ni可以提高不銹鋼表面膜的穩定性,進而提高不銹鋼的耐蝕性能。

                Mn形成奧氏體相區的約為Ni1/2,一般情況下,Mn可以降低鋼的臨界淬火速度,增加冷卻時奧氏體的穩定性,是高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。此外,Mn對奧氏體不銹鋼的抗點蝕性能不利。

                抗腐蝕元素Cr、Si

                Cr在奧氏體不銹鋼中的主要作用是提高耐蝕性能和抗高溫性能。在一定范圍內,不銹鋼的耐蝕性能呢個的抗高溫性能隨Cr含量的增加而增加。但Cr為鐵素體形成勻速,過多的Cr會導致熔煉、焊接過程中δ-鐵素體的形成,無法獲得全奧氏體組織。而且一些Cr的析出相還會導致晶界附近形成貧Cr區,從而增大不銹鋼的晶間腐蝕敏感性。

                Si元素對于提高奧氏體不銹鋼的抗高溫性能具有顯著效果。Si的活性很高,可以降低不銹鋼中的氧化速率。然而,Si是鐵素體形成元素,隨著Si含量的增大,鐵素體的形成趨勢增大。

                析出強化元素C、N、Al、Nb

                C、N元素極易和Al、Nb元素結合,形成MC型碳化物或MX相,這些細小的析出相彌散分布于奧氏體基礎上,對晶界起到釘扎作用,能夠抑制奧氏體晶粒的長大,同時可以在阻礙變形過程中位錯的一定,起到強化作用。

                Al元素在鋼中常常作為脫氧劑使用。具有細化晶粒的作用,也可使得鋼的抗氧化性能提升,改善鋼的電磁性能。但Al含量不宜過多,當Al含量過多時,極易使得鋼的韌性下降[28]。Al有時也作為析出元素存在,Al較容易和N元素結合生成AlN相,可以釘扎晶界,抑制奧氏體晶粒的長大[29,30]。鑒于市場上鋁的價格較為便宜,適宜在310S鋼中添加Al元素嘗試降低焊接熱影響區粗晶區的奧氏體晶粒尺寸。

                Nb元素是與C、N元素親和力最強的元素。適量的Nb元素可以與C、N元素結合生成MX相,細化奧氏體不銹鋼的晶粒,提高耐晶間腐蝕能力。但過量的Nb元素容易造成鋼的韌性的衰減,也會使得鋼的熔點發生大幅度下降。




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