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      軋制溫度對高鋁310S不銹鋼管力學性能和抗高溫氧化性能的影響及其作用機制

      發布時間:2021-04-19 08:26:05 丨 瀏覽次數:

      不銹鋼管中加入鋁元素以后能夠形成附著性好的防擴散氧化物Al2O3,顯著提高鋼的抗氧化性。鋁元素的加入使得鋼的晶粒發生了細化。阻礙其他元素在基體中的擴散,原子的尺寸存在差異,引起原子間結合力發生變化,晶格畸變,增加強度從而達到固溶強化的作用。鋁元素的加入出現了鐵素體相,隨鋁含量的增加鐵素體的含量大幅度的增加。不銹鋼管的使用范圍和強度除了與元素含量和種類有關以外,還和軋制過程中的工藝參數息息相關。不銹鋼的導熱性一般,快速加熱軋制可能引起裂紋。奧氏體不銹鋼高溫下的變形抗力比較大,如果加熱溫度不合理,軋制塑性降低。加熱既要保證燒透均勻,又要防止過熱。奧氏體鋼中,高溫下會產生第二相的粒子,軋制溫度過高,第二相粒子增多,在該溫度下軋制,會使塑性惡化,容易產生邊裂和表面缺陷。在軋制過程中,奧氏體鋼產生碳化物和一些其他元素的析出物,還會產生加工應力,在加熱過程中使得碳化物和第二相粒子分解固溶到奧氏體基體中,同時釋放加工過程中產生的應力,也會發生再結晶過程。軋制加熱溫度過高,晶粒長大的傾向增加,晶粒粗大,塑性會降低。軋制溫度過高,鋼材表面產生很厚的氧化膜,如果軋制中不能脫落將會嚴重影響鋼材的表面質量。本章對不同軋制溫度的加鋁310S不銹鋼管的性能進行系統的探究。

      實驗過程

      試驗合金的熱軋

      按照章節2.1中的合金的熔煉、軋制、固溶處理的方法制備得到合金試樣。然后研究不同軋制溫度對材料性能的影響,首先對選取的性能好含鋁1.5wt%、2wt%、3wt%的合金用線切割成70mm×75mm×5mm的軋制試樣。然后將試樣在1100℃、1150℃、1200℃下軋制。將軋制好的試樣進行固溶處理(工藝為1150+30min水冷),最后對試樣進行性能測試。

      試驗合金的性能測試

      1100℃、1150℃、1200℃下軋制的310S不銹鋼管維氏硬度的測試和2.1.2章節中的過程相同在1100℃、1150℃、1200℃下軋制的310S不銹鋼管室溫拉伸性能、抗高溫的氧化性能的測試采用與2.1.2章節中相同的試驗方法,并計算出各合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率、高溫氧化速率。

      實驗結果

      如圖3.1-3.3所示,不同軋制溫度下的軋制板材的宏觀照片。軋制溫度為1100℃時,三種變形量的合金表面基本光滑沒有明顯的裂紋。當軋制溫度升高到1150℃,合金板材表面的成型性明顯變差,表面出現大量橫向和縱向的裂紋,板材邊緣發生開裂現象。軋制溫度升高到1200℃,板材表面的存在大量的裂紋,但是邊緣的開裂現象消除了。從宏觀角度看,軋制溫度在1100℃時,材料的成形性最理想。

      力學性能

      3.4310S奧氏體不銹鋼管在變形量50%,不同鋁含量,不同軋制溫度下的維氏硬度。從圖中看出隨軋制溫度增大,維氏硬度基本不變??梢钥闯鲕堉茰囟葘辖鸬挠捕扔绊懖淮?。圖3.5310S奧氏體不銹鋼管變形量50%,不同鋁含量,不同軋制溫度下的室溫拉伸的工程應力-應變曲線,從圖中看出在不同軋制溫度下的合金都發生了較大的塑性變形。軋制溫度為1200℃的合金塑性和強度都是最好的,軋制溫度為1100℃的合金強度比軋制溫度為1150℃的合金要高,塑性比1150℃的合金低。

      不同鋁含量,變形量50%,不同軋制溫度的310S不銹鋼管屈服強度σ0.2隨軋制溫度的變化關系如圖3.6所示,抗拉強度σb隨軋制溫度變化關系如圖3.7所示。屈服強度、抗拉強度、延伸率的統計如下表3.1所示??梢钥闯?,隨著軋制溫度的增大,鋁含量1.5%的合金屈服強度和抗拉強度都呈現先略微降低,后顯著增大的趨勢。當軋制溫度是1200℃時,軋制態強度(抗拉強度598MPa)和固溶態(抗拉強度595MPa)接近。含鋁2%的合金軋制溫度從1100℃增大到1150℃,屈服強度增大,抗拉強度不變為560MPa。軋制溫度從1150℃增大到1200℃時,屈服強度不變,抗拉強度減小到540MPa。和固溶態相比(抗拉強度745MPa),含鋁2%軋制態合金抗拉強度降低了25%。含鋁3%的合金軋制溫度從1100℃增大到1150℃,合金的屈服強度從538MPa降到465MPa,降低了13.6%;而抗拉強度723MPa降低到682MPa,降低了5.6%。但是軋制溫度從1150℃增大到1200℃時,屈服強度和抗拉強度都增大,屈服強度增加到了570MPa,提高了22.6%;抗拉強度增加到759MPa,提高了11.3%。和固溶態相比,屈服強度和抗拉強度都顯著提高了,屈服強度增加了1.2倍,抗拉強度增加了2倍。

      3.8310S奧氏體不銹鋼管變形量50%,不同軋制溫度,不同鋁含量的合金室溫拉伸的延伸率與軋制溫度之間的關系。從圖上可以看出,隨著軋制溫度的增大,含鋁1.5%的合金的延伸率顯著增大后又略微降低。軋制溫度從1100℃增大到1150℃時,延伸率增加到38%,提高了5%。當溫度達到1200℃時,延伸率降低到35%.含鋁2%的合金,隨著軋制溫度的升高,延伸率基本不變,和固溶態相比提高了57%。含鋁3%的合金,溫度從1100℃增大到1150℃時,延伸率提高了32%,軋制溫度從1150℃增大到1200℃時,基本沒變。但是和固溶態相比延伸率提高了3倍。

      Al含量3wt%,變形量50%不同軋制溫度的310S不銹鋼管室溫拉伸斷口形貌如圖3.9所示,不同軋制溫度合金斷口分別取放大(x200)和局部放大形貌(x500)掃描圖片。圖3.9a)是310S不銹鋼管相同參數下軋制溫度為1100℃的拉伸端口形貌,從圖上可看出,斷面上有大小不一的韌窩,大韌窩為卵形韌窩,韌窩里面有脆性夾雜物的斷裂面。軋制溫度為1100℃的合金為韌性斷裂。圖3.9b)是310S不銹鋼管相同軋制參數下軋制溫度為1150℃的拉伸端口形貌,從圖上可看出,韌窩的數量和密度增大,有很多的等軸韌窩,大韌窩里有脆性夾雜物斷裂面,有許多撕裂狀的層片狀結構。一些韌窩的內部邊緣有由于裂紋前沿與孿晶相互作用產生的“舌苔狀”花樣。綜上可看出此時斷裂方式是韌性斷裂。圖3.9c)是310S不銹鋼管相同軋制參數下軋制溫度為1200℃的拉伸端口形貌,從圖上可看出,韌窩的數量顯著的減少,存在小的蜂窩狀韌窩和拋物線狀的大韌窩,韌窩的內部有較大的斷裂顆粒。斷口上出現了大量的撕裂棱,存在解理面,解理臺階。由此得出該合金的斷裂方式是韌性斷裂與沿晶解理的脆性斷裂相結合。

      抗高溫氧化性能

      3.7是相同軋制參數下不同軋制溫度的310S不銹鋼管在900℃循環氧化100h的氧化動力學曲線,由圖可知,加鋁后310S不銹鋼管的氧化增重減弱,900℃時抗氧化能力增強。在80h之前軋制溫度為1200℃的合金抗氧化性始終沒有軋制溫度為1100℃和1150℃的合金好。但是,氧化超過80h后,軋制溫度為1200℃的合金和軋制溫度為1100℃的合金氧化增重相等,也就是抗氧化性相近。在40h之前,軋制溫度為1100℃和1150℃的合金,氧化增重相近,40h以后,軋制溫度為1150℃的合金氧化增重始終低于軋制溫度為1100℃的合金。軋制溫度為1150℃時,抗氧化性最好。

      不同軋制溫度的310S不銹鋼管板材,在900℃下循環氧化100h后的平均氧化速率變化趨勢如圖3.11所示,隨著軋制溫度的增大,合金的氧化速率先略微降低后增大,在軋制溫度為1150℃時達到了最小值。軋制態和固溶態相比,合金的抗氧化性都遠遠優于固溶態,氧化速率降低了50%。圖3.12是相同軋制參數下不同軋制溫度的310S不銹鋼管在1000℃循環氧化100h的氧化動力學曲線,從圖中可以看出,不同鋁含量的310S氧化動力學曲線都基本符合拋物線形狀。在40h之前,軋制溫度為1150℃的合金增重量最小,抗氧化性最好。40h-60h的時間段內,軋制溫度為1150℃的合金氧化增重量迅速增大,氧化速率增加。軋制溫度為1200℃的合金,在20h-40h之間,氧化增重迅速降低,氧化速率變小,40h以后,其氧化增重是最小的,抗氧化性是最好的。1000℃下循環氧化100h后的平均氧化速率變化趨勢如圖3.13所示,從圖上可知,氧化速率與軋制溫度的關系與900℃氧化速率的變化趨勢并不相同,在1000℃的氧化速率隨著鋁含量的增加先升高后降低,軋制溫度1200℃的合金具有最低的氧化速率,抗氧化性最好。氧化速率比軋制溫度1150℃的合金降低了約21%。但是和900℃時抗氧化性能相比有所下降,氧化速率提高72%。

      3.14是含鋁3%,變形量50%不同軋制溫度的合金經900℃循環氧化100h后試樣表面氧化膜的形貌,a、b、c是不同軋制溫度的各個合金的氧化表面在500倍下的氧化形貌圖,d、e、f是在1500倍下的氧化形貌圖.從圖中看出,圖3.14a)和(d)分別為軋制溫度是1100℃的合金氧化表面,可以看到氧化表面有一些凸起的苞狀物,有脫落的氧化膜,表面有長條狀的痕跡??梢钥吹窖趸瘜颖砻嫱黄鹞锸抢庑蔚念w粒和球星形成,不是非常致密,有孔洞。圖3.14b)和(e)為軋制溫度是1150℃的合金氧化表面,表面上是均勻致密的由細小致密的棱形小顆粒的氧化膜。表面有少量的突起物。圖3.14c)和(f)分別為軋制溫度是1200℃的合金氧化表面,氧化層可以看到是由大量的球狀顆粒和少量的尖晶石狀的棱形顆粒構成。球狀顆粒和棱形顆粒的尺寸和軋制溫度是1150℃的合金氧化層相比都有明顯的增大。不同形狀顆粒之間的接觸面形成了一個個細小的空隙,促進了氧化速率。

      3.15是含鋁3%,變形量50%不同軋制溫度的合金經1000℃循環氧化100h后試樣表面氧化膜的形貌,圖3.15a)和(d)分別為軋制溫度是1100℃的合金氧化表面,可以看到氧化表面有一些凸起的苞狀物,有脫落的氧化膜,可以看到氧化層表面是比較大的棱形的顆粒構成,表面有大小不一的孔洞,不是非常致密。圖3.15b)和(e)為軋制溫度是1150℃的合金氧化表面,表面上的氧化膜由棱形顆粒和球形顆粒構成,表面有大量的的孔洞,有少量的突起物。圖3.15c)和(f)分別為軋制溫度是1200℃的合金氧化表面,氧化層可以看到脫落的趨勢,有許多凸起的包狀物。構成氧化層的表面是細小均勻的棱形顆粒,構成的氧化層致密,孔洞很少。從圖中可以看出,隨著軋制溫度的升高,形成氧化層的顆粒直徑逐漸變小,并且越來越均勻。

      討論 

      相同Al含量(3wt%)的合金在1100℃、1150℃、1200℃不同的軋制溫度下軋制成變形量為50%的板材,然后經過1150+30min的固溶處理。如圖3.16所示,隨著軋制溫度的增加,組織中鐵素體和奧氏體的比例沒有發生很大的變化,但是奧氏體和鐵素體的形狀發生了變化。如圖a軋制溫度為1100℃,晶粒粗大,奧氏體的晶粒呈粗大的枝晶,較大的顆粒狀分布,鐵素體分布在奧氏體晶粒的晶界上。圖b軋制溫度為1150℃,奧氏體的晶粒尺寸變小,鱗片狀的晶粒尺寸變小,枝晶數量和尺寸減小。長條狀的奧氏體被打斷。黑色的鐵素體呈現大的鱗片狀的分布。圖c軋制溫度為1200℃,奧氏體的晶粒成板條狀和細小的顆粒狀分布,晶粒的尺寸更加細小,長條狀的晶粒有一定的取向性。從三張圖中看出在1200℃的軋制以后,晶粒細小致密,呈長條狀,有一定的取向性。

      在軋制的過程中,不同的軋制溫度能夠引起原始的坯料的奧氏體組織晶粒大小變化。不同的軋制溫度,對元素在基體中的溶解度有很大的影響。元素在基體中的含量決定著鋼的強韌性,材料的抗氧化性能,抗腐蝕性能。軋制變形過程,晶粒會發生變形,基體對元素的溶解度會減小,這會嚴重的影響鋼材的組織和性能。310S奧氏體不銹鋼,含Cr25wt%,Ni20wt%。鉻鎳含量比較高,總的元素含量超過50%以上。鉻鎳元素在鋼中很難擴散,加熱的溫度要高,加熱時間要適當的長。從氧化曲線看出,軋制溫度在1200℃,各個元素的擴散比較快,Cr元素能夠擴散到表面,快速的補充Cr氧化物的蒸發消耗。不銹鋼管的熱導率差,溫度比較低的時候,鋼材的溫度均勻性不好。溫度不均勻,會引起內部的熱應力,從而產生內部裂紋。310S中的Cr含量高,溫度高的時候,容易發生滲碳,形成Cr7C3的碳化物,消耗了Cr元素,引起該合金的抗高溫氧化和腐蝕性能,及熱強性,都發生變化。不銹鋼的熱膨脹系數大,在不同的溫度下,其熱膨脹是不一樣的。軋制過程中,加熱的溫度對鐵素體的含量影響很大。隨著加熱溫度的升高,鐵素體含量會逐漸的增大。嘗試降低鐵素體的含量,一方面是降低鋼的加熱溫度,另外方面是加入其它的合金元素。降低鋼的加熱溫度,引起軋制過程中變形抗力增大。軋制的溫度越低,軋制的變形抗力增加的越快,產生更大的加工硬化,給變形加工帶來困難。調整化學成分,加入合金元素,這些元素能夠擴大鋼的奧氏體區,穩定奧氏體相,從而減少了鐵素體的含量。軋制溫度對不銹鋼的力學性能,抗氧化性能,抗腐蝕性能都有影響。結合圖3.16中的金相圖和上文中的力學性能、抗氧化性能。在1200℃,含鋁3%的合金奧氏體和鐵素體的晶粒都比較細小。室溫拉伸性能最好,屈服強度為570MPa,抗拉強度是759MPa。延伸率也是隨著軋制溫度的升高而增大。關于其抗氧化性能,900℃的時候,不同軋制溫度下的抗氧化性能基本相近。1000℃的抗氧化性實驗中,氧化速率隨軋制溫度的升高而降低。

      本章小結

      1、隨著軋制溫度的增加,含鋁1.5%3%的合金310S屈服強度和抗拉強度先降低后增大,含鋁2%的合金強度隨軋制溫度的升高基本不變。當軋制溫度為1200℃的時候,強度最高,屈服強度570MPa,抗拉強度為759MPa。不同鋁含量的合金硬度隨著軋制溫度的升高基本上不變,相對于固溶態,硬度都降低了20HV左右。

      2、隨著軋制溫度的增加,含鋁2%的合金,延伸率基本沒有發生變化,和固溶態相比,其延伸率提高了57%。含鋁3%310S不銹鋼管的塑性是逐漸增加,當軋制溫度為1200℃時,含鋁3%的合金延伸率是14.23%,比固溶態增加了3倍。

      3、隨著軋制溫度的增加,在900℃,310S不銹鋼管的抗氧化性能基本不變,和固溶態相比,抗氧化性能提高50%;在1000℃,310S不銹鋼管的隨著軋制溫度的增加,抗氧化性能的到改善。

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