铝元素对310S不锈钢管高温拉伸性能的影响分析

  浙江至德钢业有限公司通过压力机和手动轧制机对非自耗真空电弧炉熔炼制备的铝的质量分数为0%、2%、4%的310S不锈钢管在950～1250℃进行开坯轧制，研究不同铝含量的310S不锈钢管在800℃下的高温拉伸性能，用SEM观察拉伸断口。结果表明：不含铝和铝的质量分数为2%的合金，它们的高温抗拉强度均为210MPa左右，但当铝的质量分数增加到4%时，合金的热强性显著提高。3种合金拉伸断面均可以看到大小明显不同的显微韧窝，合金在断裂前经历了比较大的塑性变形，所以均为韧性沿晶断裂。随铝含量的增加，合金断口中的显微韧窝所占的比例随之增加。

  310S不锈钢管是铬的质量分数为25%，镍的质量分数为20%的高铬-镍奥氏体耐热不锈钢管，是具有比较好的应用前景的耐热不锈钢管。在高温氧化环境中具有良好的高温力学性能，同时具有优良的耐蚀性，因此常用于炉管材料、石油化工、化肥厂转化炉。高温合金的强化方式有奥氏体的固溶强化、晶界强化以及第二相强化。在铁-铬-镍合金中加铝、钛、铌、钽等元素，引起晶格点阵的畸变，增强了固溶体原子键引力，也能够提高再结晶温度和延缓再结晶过程的进行。从而提高合金的高温性能，在镍基高温合金中已得到大量应用。铝与铁、镍发生反应形成热力学稳定而且有序的金属间化合物，能够阻止位错的滑移和攀移。并且由于键的结合力比较强以及原子排列复杂，使得该合金具有低自扩散系数，能获得比较高的变形抗力，从而具有比较高的高温强度。加入这些微量元素吸附在晶界附近造成局部合金化，改善晶界性质，减缓了合金元素沿晶界扩散的过程，阻止了晶界上碳化物相和空穴的凝聚和长大，强化了晶界。

  奥氏体耐热不锈钢管的抗氧化性与其表面生成的氧化膜有很大的关系。奥氏体耐热不锈钢管中加入适量铝元素，使钢表面氧化膜的组成以三氧化二铬为主向三氧化二铝转变。对铁-铬-镍-铝金的研究表明，三氧化二铝膜稳定性好、结合能力强、致密性好、耐高温、生长缓慢。在高温和腐蚀性环境下，对材料本身具有长时间的保护作用，从而大大改善了合金的抗氧化性。为了获得足够的铝的氧化膜，必须有足够的铝加入，而且随着温度的升高、使用时间的延长以及环境的影响（如水蒸气氛围的变化、加载力的增大等），铝的加入量也要求相应增加。对于不同的使用材料，要根据其使用环境和使用寿命加入适量的元素。前期本课题组研究了铝元素对铸态310S不锈钢管的压缩性能和热轧态组织的影响及其作用机制和高温抗氧化性能的影响。

  浙江至德钢业有限公司研究了不同铝含量的310S不锈钢管的高温拉伸性能，揭示铝元素对高温拉伸性能的影响规律及作用机制，为含铝的310S不锈钢管的研究和制备提供理论依据。

一、试验过程

  按表设计的成分称取各种元素的粉末。放入行星式球磨机中进行混合，用三氧化二铝陶瓷球作为球磨介质，球磨机转速在每分钟150转左右，混合8小时。把混合均匀以后的粉末在钢模中用压力机压成20ｍｍ×50ｍｍ圆柱，熔炼电流为250Ａ，用氩气气氛对炉内样品进行保护，将压成的圆柱放在非自耗真空电弧中进行熔炼。熔炼的钢液在用水冷却的铜坩埚中保温2分钟以后立即关闭电弧，在铜模中凝固，合金重熔4～6次，经过几次重熔以后，使其组织的致密和元素分布均匀。

  将熔炼好的合金块状固体打磨掉表面氧化皮、缺陷。在炉中的保温时间为30～40分钟，用千斤顶配套特制夹具进行热压开坯，开坯温度为1200℃，开坯压力为60～80 MPa，进行8～10道次的热压开坯，开坯变形量约为60%。

  开坯以后的试样用线切割加工成30ｍｍ×30ｍｍ×4ｍｍ的块状材料，采用手动轧制机进行高温轧制；试样轧制温度为1200℃，炉内保温时间5分钟，轧制道次16～20道次，轧制以后总的变形量约为40％，也就是厚度为3ｍｍ的板材试样。在轧制结束以后，各合金在400℃下保温2小时，去应力退火，目的是为消除试样开坯和轧制过程中产生的内应力。利用电子探针对3号合金各元素进行分析，结果如表所示。1号和2号合金除了铝元素的含量不同，其他元素的含量不变。

 参照《金属材料高温拉伸试验》国家标准的技术要求，将不同铝含量的310S不锈钢管加工成图所示的高温拉伸试样。用岛津试验机做高温拉伸试验，最大载荷100KN，拉伸速度0.3mm/min，拉伸温度800℃。每个参数的合金进行3次拉伸测试，根据载荷－位移曲线计算出相应的应力和应变值，求其平均值，得出应力－应变（σ－ε）曲线。根据绘制出的σ－ε曲线，确定出每种合金成分的屈服强度、抗拉强度以及伸长率。利用扫描电子显微镜对各断口的形貌进行观察。

二、试验结果

  1. 高温拉伸性能

  图为不同铝含量的310S不锈钢管在800℃时的应力－应变曲线。可以看出，各合金均具有良好的塑性变形特征。不含铝和铝的质量分数为2％的合金的高温强度明显低于铝的质量分数为4％的合金，而伸长率大大高于后者。

  图为不同铝含量的310S不锈钢管在800℃下的屈服强度和抗拉强度。不含铝和铝的质量分数为2％的310S不锈钢管在800℃下的屈服强度相近，分别为163和162MPa。当铝的质量分数增加到4%时，合金的高温屈服强度显著提高，为229MPa。不含铝和铝的质量分数为２％的310S不锈钢管在８００℃下的抗拉强度基本不变，分别为213和210 MPa。当铝的质量分数增加到4%时，合金的抗拉强度增加，为273MPa。由此可以看出，铝的质量分数不大于2%时，对合金的高温强度影响不大，随着铝含量的继续增加，合金的高温强度显著提高。

  图为不同铝含量的310S不锈钢管在800℃下的伸长率。随着铝含量的增加，合金的伸长率先升高后降低，铝的质量分数为2%时具有最大的伸长率，为35%。不含铝和铝的质量分数为4%的合金，其伸长率分别为28.2%和25.5%。上述结果表明，铝的质量分数为2%能够使310S不锈钢管的高温塑性提高，但是不利于高温抗蠕变性能，而铝的质量分数为4%有利于高温抗蠕变性能的提高。

 2. 高温拉伸断口的形貌观察

 图为不同铝含量的310S不锈钢管800℃拉伸后的断口形貌。可以看出，3种合金的晶界上均可以看到明显的显微韧窝，且合金在断裂前经历了较大的塑性变形，3种合金的高温断裂方式均为沿晶韧性断裂。

三、讨论

 铝元素加入以后，在铸态下，铝原子固溶在其奥氏体基体中。基体上只有少量的三碳化七铬的析出物，并没有发生铝元素的富集现象，从而可以看出在铸态时没有形成三碳化四铝的析出物。当把试件进行高温下开坯、轧制以后，晶格发生严重畸变，铝原子在奥氏体基体中的溶解度随之降低，多余的铝原子从基体中析出来。由于310S不锈钢管中铝的质量分数为20%左右，相对较低，铝原子容易与碳原子结合，没有形成（铁，镍）铝金属间化合物，而是以富铝的颗粒状三碳化四铝相析出。以前的研究表明，铝元素的含量越高，富集现象越严重。由于形成了三碳化四铝的析出物，从而大大降低了形成析出物三碳化七铬可支配的碳原子个数。从显微组织中，可以看到3种合金的组织致密，元素分布均匀。