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奥氏体不锈钢的冷加工强化及去应力处理
来源: | 作者:鼎言热处理 | 发布时间: 2019-11-12 | 818 次浏览 | 分享到:
奥氏体不锈钢的冷加工强化及去应力处理
      奥氏体不锈钢不能用热处理方法强化,但可以通过冷加工变形得以强化(冷作硬化、形变强化),会使强度提高、塑性下降。
      1.奥氏体不锈钢冷加工强化的理论基础和影响因素
      奥氏体不锈钢冷变形强化的理论和效果与马氏体不锈钢及其他金属相比,有其特殊性。

      按一般的冷变形强化理论,许多金属材料在冷加工变形过程中,会由于晶体产生缺陷、点阵畸变、位错、亚结构等使晶体滑移受到阻力,从而使金属得到强化。
      奥氏体不锈钢在冷加工变形过程中,除了产生如同其他金属材料的冷加工强化现象外,还会因在形变过程中,有部分稳定性差的奥氏体转变成为马氏体,而增加了奥氏体不锈钢的强化效果。
      如前所述,奥氏体不锈钢由于M点低于室温,一般情况下,其室温组织为奥氏体,不会发生向马氏体的转变过程。但是,受合金元素的影响,奥氏体的稳定程度有所不同,有的很稳定,有的是相对不稳定的,称其为亚稳定奥氏体。稳定性强的奥氏体在接受冷加工变形时,仍保持奥氏体组织,而稳定性差的奥氏体在冷加工变形过程中,会有一部分奥氏体发生向马氏体的转变。这个由于冷加工变形引起亚稳定奥氏体向马氏体转变的开始温度记Ma,一些研究表明,M4高于M170~350℃,在室温以。M4点越高,说明奥氏体向马氏体转变越容易发生。影响M点温度,或者说影响奥氏体不锈钢冷加工变形强化的因素很多,如钢的化学成分、冷加工变形度、冷加工变形温度等。下面重点说明化学成分和冷加工变形度的影响效果。

      (1)化学成分的影响。合金元素对奥氏体不锈钢冷加工变形强化的影响是复杂的,综合各方面的研究报道,基本观点如下:
      ①对屈服强度的影响。奥氏体不锈钢冷变形过程中,在发生屈服前,由于冷变形量不大,不至于引起大量奥氏体向马氏体的转变,此时,强化效果主要是原来固溶于奥氏体中的合金元素的固溶强化作用结果,所以,填隙型合金元素,如碳、氮等作用较大,亦即含碳、氮较多的奥氏体不锈钢的屈服强度较高。
      ②对破断(抗拉)强度的影响。奥氏体不锈钢在冷变形发生屈服后,变形量较大,强化效果明显了,此阶段影响奥氏体稳定性的因素起主导作用,即降低奥氏体稳定性的合金元素影响较大,如硅、钼、铬增加冷变形强化效果、提高抗拉强度,而镍、铜则减小冷变形强化的效果,降低抗拉强度。
      实际上,合金元素对奥氏体不锈钢冷加工变形的强化作用是复杂的,以碳为例,碳既有对奥氏体固溶强化,从而提高奥氏体不锈钢冷加工变形强化的作用,也有稳定奥氏体,使奥氏体向马氏体转变发生困难,从而降低奥氏体不锈钢冷加工变形强化的作用。而且,还会依碳含量的不同,作用程度也不同。图3-5显示了碳对两种奥氏体不锈钢冷加工强化的影响效果。
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      从图3-20可见,当铬量相同时,镍的硬化效果随其含量的增加而减小,这是由于镍稳定了奥氏体,影响了奥氏体向马氏体转变的结果。图3-5含铬相同而含镍不同的两条曲线也验证了这个结论。

      在镍≤12%的范围内,当镍含量相同时,铬的硬化效果随铬含量的增加而减小,这是因为铬的增加会使组织中产生8铁素体,从而使可向马氏体转变的奥氏体比例减少。同时,铬作为合金元素,对奥氏体的转变点M4也产生一定的降低作用,减弱了发生转变的可能性。
      在镍≥14%的范围内,铬对硬化效果的作用不明显了,这可能是因为此时的奥氏体已经很稳定了,冷加工变形已不再使奥氏体发生向马氏体转变,铬只起到固溶强化的作用,随铬含量的增加,硬化效果也略有增加。
      (2)冷加工变形度的影响。奥氏体不锈钢冷加工变形强化的效果与冷加工变形度有较大的关系。一般规律是随冷加工变形度的增加,强化效果增大,即屈服强度、抗拉强度提高,而且屈强比也显著提高,有文献报道,固溶状态奥氏体不锈钢屈强比般为30%~45%;而冷加工变形强化后,依变形度不同,屈强比最高可达85%~90%,这在多年的生产实践中也得到了证明,奥氏体不锈钢冷加工变形度达到10%~12%时,屈强比即可达到70%~75%。当然,随着强度的增加,其塑性和冲击韧性将有明显的降低。图3-21及表3-4均显示出了奥氏体不锈钢随冷加工变形度的增加对力学性能的影响。
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      还有,随着冷加工变形度的增加,奥氏体不锈钢的磁导率也明显增加,这也说明,随着冷加工变形度的增加,奥氏体向马氏体的转变量增加了。

冷加工变形虽可使奥氏体不锈钢强化,但需要对其进行大的冷加工变形,这对于截面较大或形状复杂的零部件,在工艺上难以实现。
此外,由于冷加工变形后,钢的塑性、韧性指标下降,又因有较大的应力,会在应力腐蚀环境中增加应力腐蚀的敏感性,所以,在实际应用中受到一定的限制。
      2.冷加工变形强化后的去应力处理
奥氏体不锈钢或制品(弹簧,螺栓等)经冷加工变形强化后,存在较大的加工应力,这种应力的存在导致在应力腐蚀环境中使用时,增加了应力腐蚀的敏感性,影响尺寸的稳定性。为减小应力,可采用去应力处理(有的叫应力松弛处理)。一般是加热到280-400℃保持2~3h后空冷或缓冷。去应力处理不仅可减少制件的应力,还会在延伸率无大改变的情况下,使硬度强度及弹性极限得到提高,见图3-22和表3-5
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       造成困难,还会因为这部分马氏体过饱和碳及合金的量不足,达不到理想的硬度,也会影响最终的沉淀强化效果,得不到理想的硬度和强度,还影响材料的弹性,所以,对于用0Cr17N7A制造的弹性件的热处理更应注意这一问题

      2.调整处理
      调整处理的作用是通过加热使奥氏体中的合金碳化物析出,降低奥氏体的稳定性,从而提高马氏体转变温度,以保证奥氏体向马氏体的转变,调整加热温度不同,对马氏体转变温度的改变程度也不同,冷却后马氏体量也不同,从而反映出硬度上的差别
      目前,0Cr17Ni7A在实际生产中的调整处理一般有两种温度选择。
一种是当对钢的强度要求不高时,可采用760℃左右的温度加热,M点可提高到70℃左右,冷却后,基体是马氏体组织,马氏体中的碳和合金元素有一定程度的过饱和。然后再进行时效处理。
      第二种情况是对钢的强度要求很高时,可采用960℃左右的加热温度,此时钢的M,点在-70~-60℃,冷却后,基体是碳和合金充分过饱和的奥氏体,然后应再进行一次-73℃左右的冷处理,得到马氏体组织。这种马氏体中的碳和合金元素的过饱和程度远远高于经760℃左右温度调整得到的马氏体中碳和合金元素的过饱和程度。所以,高温调整处理并经冷处理后得到的马氏体基体强度高,经时效后,沉淀强化的效果也大。有试验数据表明,0Cr17Ni7Al钢经固溶—960℃调整73℃冷处理
        时效处理的强度比固溶—760℃调整—时效处理的强度能提高20%左右。
       调整处理的作用是调整M,点,调整处理温度的准确程度对处理效果的影响相似于固溶处理。
       0c17N7A经调整处理,M,点上升50-90℃,而M点仍然是很低的,所以,为保证调整处理组织的更好转变,调整处理时要保证充分的冷却。
       3.冷处理
       0Cr17N7A冷处理的目的是使调整处理后还存在的奥氏体能继续向马氏体转变。冷处理一般采用-73℃,较长时间地保持,通常保持h以上,以确保奥氏体的充分转变。采用-73℃保温是因为这个温度已经低于经过调整处理(960℃左右调整)后的M,温度。由于是在极低的温度下转变,才需要有较长的等温保持时间。处理后再经时效处理,使材料获得高的强度和韧性配合的综合机械性能。
为保证好的冷处理效果,要注意在调整处理后尽快进行冷处理,最好不超过1h,最多不要超过8h,因为放置时间长了会促使奥氏体的稳定化,影响冷处理效果。
       4.冷变形处理
0Cr17i7A钢的冷变形加工处理,主要是指为获得丝材、薄板材、带材的冷加工变形过程。
冷加工变形度会影响M4温度,从而影响获得的马氏体量、最终反映在沉淀硬化后的硬度和强度不同。有试验研究表明,冷变形加工量大于50%时,才会突显强化作用。冷变形量越大,时效后沉淀强化的效果越明显,见表5-6
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        化合物。时效温度的确定主要是根据对性能的要求和时效处理前的经历程序。目前,通常使用的方式有以下几种。
        (1)固溶处理后采用760℃左右温度调整处理,时效温度采用560℃左右,空冷。

        (2)固溶处理后采用960℃左右温度调整处理,再进行73℃左右温度冷处理,时效温度采用510℃左右,空冷。
        (3)固溶处理后采用冷加工变形时(如冷拉丝、冷轧板等),时效温度采用490℃左右,空冷。

时效处理的温度控制要更精确,最好控制在工艺温度±5℃范围内,时效保温时间一般要比固溶保温时间延长1~2倍。以保证沉淀相的充分析出。
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