海工用高強韌高氮鋼組織與性能研究.pdf

1、隨著我國海洋工程的發(fā)展，海工用鋼領域急需大量兼具高強度和耐腐蝕的緊固件螺栓鋼，其中10.9級以上的高強度螺柱及其用鋼大部分仍需從國外進口。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性能十分優(yōu)良的Cr20Mn18N0.8高氮不銹鋼。對高氮鋼進行了固溶處理和時效處理，并對各組試樣進行了顯微組織分析、拉伸性能測試、耐腐蝕性能測試、沖擊韌性試驗和疲勞試驗。針對高氮鋼的強韌化機理與層錯能之間的關系，優(yōu)化了層錯能(SFE)計算

2、的熱力學模型，并結(jié)合舍夫勒組織圖和應力應變與層錯能的經(jīng)驗公式預測高氮鋼“成分—組織—層錯能—力學性能”的定量關系。研究結(jié)果表明:
　　(1)Cr20Mn18N0.8高氮鋼具有優(yōu)異的綜合力學性能，較高的條件疲勞強度，良好的耐點蝕性能，可滿足大多數(shù)海工用鋼的性能要求。
　　(2)固溶態(tài)高氮鋼屈服強度達到640Mpa，抗拉強度達到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1.22,具有優(yōu)

3、異的強韌性配合;在角度為4°、8°的偏斜缺口拉伸條件下，屈服強度保持在720Mpa左右，抗拉強度保持在1000Mpa，NSR保持在1.03左右;高氮鋼的條件疲勞極限σ-1為330Mpa，遠遠高于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)時效處理態(tài)高氮鋼屈服強度和抗拉強度基本等

4、同于固溶態(tài)，延伸率平均達到48％，斷面收縮率平均為36％，對比固溶態(tài)略有下降，平均缺口敏感系數(shù)(NSR)達到1.16,依然具有良好的強韌性配合;在角度為4°、8°的偏斜缺口拉伸條件下，屈服強度和抗拉強度基本等同于固溶態(tài)，NSR保持在1.15左右;時效處理態(tài)高氮鋼在室溫和低溫-40℃下隨著時效時間的增加，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衍射試驗表明，經(jīng)時效后拉伸的高氮鋼析出相

5、均含有Cr2N衍射峰，其中時效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——機械孿晶，即時效處理的高氮鋼在拉伸形變過程中發(fā)生了孿晶誘導塑性效應(TWIP)，這也驗證了為何經(jīng)過時效處理后高氮鋼依然具有較好的塑性。
　　(4)化學侵泡腐蝕試驗表明，在短短24h情況下316L不銹鋼就出現(xiàn)了點蝕坑，而高氮鋼直到240h仍未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。在NaCl溶液下的電化學腐蝕試驗中，在相同的腐蝕電流下，試驗高氮鋼的電位大

6、大高于316L不銹鋼，高氮鋼耐腐蝕性明顯高于316L不銹鋼。
　　(5)使用本文改進的熱力學模型計算了文獻中經(jīng)XRD衍射或TEM測量的已知成分不銹鋼的層錯能，結(jié)果表明計算值與文獻值符合較好。計算得出固溶態(tài)高氮鋼的層錯能為14.73mJ/m2,將此計算值代入層錯能與屈服強度和對應應變的經(jīng)驗公式，得出屈服發(fā)生時應力應變的理論計算值和拉伸實驗值基本一致。再結(jié)合固溶處理高氮鋼和時效處理高氮鋼的拉伸力學性能，得到了層錯能對材料強韌性的影響規(guī)