Acta Metallurgica Sinica  2016 , 52 (4): 403-409 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00460

论文

9Ni钢拉伸性能的同步辐射高能X射线原位研究*

张玉妥12, 李丛12, 王培2, 李殿中2

1 沈阳理工大学材料科学与工程学院, 沈阳 110159
2 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室, 沈阳 110016

IN SITU SYNCHROTRON X-RAY DIFFRACTION INVESTIGATION ON TENSILE PROPERTIES OF 9Ni STEEL

ZHANG Yutuo12, LI Cong12, WANG Pei2, LI Dianzhong2

1 College of Materials Science and Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China
2 Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

中图分类号:  TG142.1

文献标识码:  A

文章编号:  0412-1961(2016)04-0403-07

通讯作者:  Correspondent: WANG Pei, associate professor, Tel: (024)83970106, E-mail: pwang@imr.ac.cn

责任编辑:  ZHANG YutuoLI CongWANG PeiLI Dianzhong

收稿日期: 2015-08-30

网络出版日期:  2016-03-20

版权声明:  2016 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  *国家自然科学基金资助项目 51201167

作者简介:

作者简介: 张玉妥, 女, 1966年生, 教授

展开

摘要

利用热膨胀仪、同步辐射高能X射线衍射、XRD和TEM等对经淬火+两相区处理+不同温度回火处理的9Ni钢中逆变奥氏体含量、逆变奥氏体在室温单轴拉伸过程的形变诱导相变及其对强度的影响规律进行了研究. 结果表明, 经780 ℃淬火和680 ℃两相区处理后, 实验钢中不含逆变奥氏体, 而在随后的回火过程中产生一定量的逆变奥氏体. 逆变奥氏体含量随回火温度的上升先升高而后降低, 600 ℃回火时逆变奥氏体含量最高. 在室温拉伸过程中, 逆变奥氏体的形变诱导相变开始于宏观屈服之后, 在颈缩前基本全部转变成马氏体, 从而屈服强度随回火温度的升高先减小后增大, 600 ℃回火时屈服强度最小; 抗拉强度随回火温度的升高而增大, 640 ℃回火时抗拉强度最大.

关键词: 9Ni钢 ; 原位同步辐射X射线衍射 ; 拉伸性能 ; 逆变奥氏体 ; 形变诱导相变

Abstract

9Ni steel has been widely used in liquid natural gas tanks and pipelines because of its excellent toughness at low temperature after quenching, larmellarizing and tempering heat treatment. Recently, in the cryogenic field it is used in some forgings, which have a strict demanding on the strength of this material. In order to clarify the relationship between the strength and the reversed austenite in the 9Ni steel after different temperature tempering, a systematic investigation on the amount of reversed austenite, deformation induced phase transformation (DIPT) of reversed austenite and its influence on the mechanical properties of 9Ni steel has been carried out by dilatometer, in situ synchrotron high-energy X-ray diffraction, XRD and TEM. The experimental results indicated that the amount of reversed austenite showed a parabolic trend with increase of tempering temperature and obtained the highest value after 600 ℃ tempering. And the DIPT of reversed austenite occurred after yielding during uniaxial tension test. This phenomenon induced that the yield strength of the experimental steel decreased to a minimum value after 600 ℃ tempering, and then, the value increased with further the increase of tempering temperature. However, the tensile strength of experimental steel increased with the increase of tempering temperature and reached the maximum after 640 ℃ tempering, because almost all of the reversed austenite transforms to martensite before necking.

Keywords: 9Ni steel ; in situ synchrotron radiation X-ray diffraction ; tensile property ; reversed austenite ; deformation induced phase transformation

0

PDF (952KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

张玉妥, 李丛, 王培, 李殿中. 9Ni钢拉伸性能的同步辐射高能X射线原位研究*[J]. , 2016, 52(4): 403-409 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00460

ZHANG Yutuo, LI Cong, WANG Pei, LI Dianzhong. IN SITU SYNCHROTRON X-RAY DIFFRACTION INVESTIGATION ON TENSILE PROPERTIES OF 9Ni STEEL[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(4): 403-409 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00460

9Ni钢是一种含Ni量为9%左右的超低温用钢, 具有优良的低温韧性、良好的焊接性和相对较低的成本等优点, 成为-196 ℃级低温设备和容器的重要结构材料, 广泛应用于液化天然气低温储罐板材[1~4]. 研究[5~17]表明, 经合理的淬火+两相区处理+回火处理(quenching, larmellarizing and tempering, QLT)后, 有逆变奥氏体残留至室温乃至更低温度, 逆变奥氏体的出现显著改善了9Ni钢的韧性. 但是, 已有的研究主要集中在热处理过程中逆变奥氏体的产生和稳定机制[5,7,11]以及不同热处理工艺对逆变奥氏体稳定性的影响上[5,12~14], 而对逆变奥氏体如何改善9Ni钢的力学性能研究较少. 多数对逆变奥氏体影响9Ni钢力学性能的研究[9,11,12,15~20]主要关注其对材料冲击韧性的影响, 而研究对9Ni钢强度影响的相对较少[20,21].

目前, 人们对逆变奥氏体改善9Ni钢低温冲击韧性的机制认识比较统一, 普遍认为逆变奥氏体在变形过程中发生的形变诱导马氏体相变可有效吸收冲击能量, 从而提高了材料的低温冲击韧性. 同时值得注意的是, 由于在逆变奥氏体的形变诱导相变过程中不断产生强度更高的马氏体, 可以有效提高材料加工硬化能力, 推迟拉伸过程的颈缩现象, 从而对材料的强度和塑性匹配产生显著影响. 例如, 研究人员[22,23]使用同步辐射原位实验研究了13%Cr-4%Ni马氏体钢中逆变奥氏体在单轴拉伸过程形变诱导相变的动态过程, 发现逆变奥氏体的形变诱导相变显著提高了材料的加工硬化能力, 有效提高了材料的塑性. Wang等[24]和Jacques等[25,26]分别使用离线和同步辐射原位实验研究了不同钢中亚稳奥氏体在单轴拉伸过程形变诱导相变的动态过程, 发现亚稳奥氏体在拉伸的不同阶段发生向马氏体的形变诱导相变会对材料的性能产生不同的影响, 进而直接影响材料的强度和塑性匹配. 当奥氏体的机械稳定性较低时, 在拉伸过程的早期发生相变, 会提高材料的屈服强度, 但不利于显著改善材料的塑性; 当奥氏体的机械稳定性较高时, 拉伸过程的中后期发生相变, 会提高材料的塑性, 但对提高材料的屈服强度作用不大.

随着对9Ni钢的研究逐渐深入, 其应用范围也越来越广泛, 逐渐从低温储罐板材扩展应用到一些承受复杂应力条件的锻件上, 如低温泵、阀等锻件. 由于锻件的尺寸大、受力复杂, 不仅对材料的低温韧性要求严格, 对强度的要求也非常高, 因此研究热处理工艺以及热处理过程中产生的逆变奥氏体对9Ni钢强度的影响具有重要意义.

本工作利用热膨胀仪、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及同步辐射高能X射线衍射等对9Ni钢逆变奥氏体与强度的关系进行了研究, 从拉伸过程中逆变奥氏体的形变诱导相变角度揭示了回火处理对9Ni钢强度的影响.

1 实验方法

实验用9Ni钢由实验室真空感应冶炼炉冶炼, 化学成分(质量分数, %)为: C 0.036, Si 0.29, Mn 0.67, P 0.005, S 0.005, Ni 9.55, Fe余量. 钢锭首先在900~1150 ℃经三镦三拔锻造成形截面尺寸为50 mm×50 mm的长棒, 而后进行800 ℃, 4 h的正火+600 ℃, 8 h的回火锻后热处理. 使用高精度Linseis L78RITA快速热膨胀仪测定实验用钢加热过程αγ的转变开始温度Ac1为580 ℃, 转变终了温度Ac3为780 ℃. 根据钢的相变点数据, 将锻后热处理钢切成尺寸为65 mm×50 mm×12 mm的薄片, 在SSJ-13A型箱式电阻炉中进行淬火+两相区处理+回火的三步热处理: 首先将钢进行统一的780 ℃保温1 h水冷的淬火处理, 而后进行680 ℃保温0.5 h炉冷的两相区处理, 最后在560~640 ℃进行保温1 h水冷的回火热处理. 试样经机械磨抛表面后使用33%高氯酸酒精(质量分数)溶液进行电解抛光, 去除试样表面应力层, 使用D/Max2500PC型XRD测量试样中奥氏体含量. 使用FEI Inspect F50型扫描电镜(SEM)观察经不同温度回火处理后试样的显微组织.

从不同回火温度的热处理试样上切取板状拉伸试样, 使用SMT5205电子拉伸试验装置测试不同温度回火试样的拉伸性能. 选择780 ℃, 1 h, 水冷+680 ℃, 0.5 h, 炉冷+580 ℃, 1 h, 水冷试样加工成板状拉伸试样, 研究单轴拉伸过程中逆变奥氏体的形变诱导相变过程. 实验前首先将板状拉伸试样进行电解抛光, 而后使用自制的螺旋杆传动加载装置在上海同步辐射光源BL14B光线站进行原位实验. 为确保能够捕捉到不同变形阶段的相变特征, 原位拉伸实验采取应力控制的方式进行, 即将试样加载至设定应力值, 保持应力不变, 使用同步辐射高能X射线照射试样表面, 采集同步辐射X射线衍射信号, 通过分析衍射花样, 可计算出不同应力条件下钢中逆变奥氏体含量[23], 信号采集完毕后继续加载至下一设定应力值. 根据试样的抗拉强度和屈服强度, 采集衍射信号的加载应力设定为0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 760, 772和783 MPa. 同时, 为观察不同变形状态下9Ni钢的显微组织, 另取一组相同热处理状态的试样分别将其加载至不同应力状态而后卸载, 从试样平行段处截取材料制备TEM样品. 分别从未变形、加载至500 MPa (屈服之前)和700 MPa (屈服之后颈缩之前)的拉伸试样平行段制备透射样品, 使用FEI Tecnai F20场发射TEM观察分析显微组织在变形过程中的演化过程及进行选区电子衍射(SAED)分析. TEM实验样品在8%高氯酸+92%酒精(体积分数)溶液中进行电解双喷减薄处理.

2 实验结果

2.1 显微组织和强度

图1为9Ni钢经780 ℃淬火+680 ℃两相区处理及在560~640 ℃回火后的显微组织. 可以看出, 经780 ℃淬火+680 ℃两相区处理后, 显微组织为高温回火马氏体组织, 部分区域出现了淬火态马氏体的形貌特征. 进一步经560~600 ℃回火处理后, 显微组织为典型的回火马氏体, 不同试样显微组织差别不大. 而经过640 ℃回火处理后, 部分区域出现淬火马氏体形态的显微组织. 由于逆变奥氏体尺寸较小, 在SEM观察中难以准确观察到. 图2为经XRD分析得到的9Ni钢在不同温度回火后的逆变奥氏体的体积分数. 由图可知, 经回火处理后, 9Ni钢中含有一定量的逆变奥氏体. 逆变奥氏体含量随回火温度的升高先升高后逐渐降低, 在600 ℃回火处理后逆变奥氏体含量可达到11%, 而后随回火温度进一步上升迅速下降至5%.

图1   9Ni钢经淬火和两相区处理及不同温度回火后的显微组织

Fig.1   Microstructures of 9Ni steel after quenching and larmellarizing (a) and followed by tempering at 560 ℃ (b), 580 ℃ (c), 600 ℃ (d) and 640 ℃ (e)

图2   9Ni钢中逆变奥氏体体积分数随回火温度的变化

Fig.2   Variation of volume fraction of reversed austenite in 9Ni steel with different tempering temperatures

图3为9Ni钢的室温单轴拉伸屈服强度和抗拉强度随回火温度的变化曲线. 由图可见, 9Ni钢的屈服强度随回火温度升高先减小而后增大, 600 ℃回火时屈服强度最小, 变化趋势与图2所示的逆变奥氏体含量的变化趋势相反. 而抗拉强度则随回火温度升高逐渐增大, 从560 ℃回火时的765 MPa逐渐上升至640 ℃回火时的960 MPa, 这和传统观点认为的抗拉强度随回火温度上升而逐渐减小的趋势显著不同, 可能和实验钢中的逆变奥氏体及拉伸过程中逆变奥氏体的形变诱导相变过程相关.

图3   9Ni钢的室温单轴拉伸强度随回火温度的变化

Fig.3   Variation of strength of 9Ni steel with tempering temperatures during room temperature uniaxial tensile test

2.2 原位拉伸实验

图4为在原位拉伸实验中9Ni钢中逆变奥氏体含量随工程应力变化曲线. 可以看出, 当应力小于600 MPa时, 逆变奥氏体含量基本维持稳定, 表明此时逆变奥氏体并未发生形变诱导相变, 以奥氏体形态参与变形过程. 当应力大于600 MPa时, 逆变奥氏体含量急剧降低, 直至应力增加至725 MPa, 而后逆变奥氏体含量进一步随应力增加加速下降. 当应力达到颈缩前的783 MPa时, 逆变奥氏体含量降到3.3%, 表明应力超过600 MPa后, 随着应力的增加, 逆变奥氏体逐步发生形变诱导相变而转变成马氏体, 并以马氏体形态参与到随后的变形过程, 最终在颈缩前基本上全部转变成马氏体.

图4   原位拉伸实验中9Ni钢中逆变奥氏体含量随工程应力变化的曲线

Fig.4   Variation of volume fraction of reversed austenite with engineering stress in 9Ni steel during in situ tensile test

在拉伸过程中逆变奥氏体发生向马氏体的形变诱导相变会显著增强拉伸过程中实验钢的加工硬化能力, 从而有效推迟颈缩现象的发生, 进而提升塑性变形能力[23,24]. 图5给出了9Ni钢中逆变奥氏体含量与加工硬化指数随拉伸真应变的变化曲线. 可以看出, 在初始拉伸阶段(真应变<0.01时), 加工硬化指数随着变形量的增加迅速下降, 呈现出典型的无形变诱导相变拉伸过程的特征; 而当真应变继续增加时, 伴随着逆变奥氏体开始发生向马氏体的形变诱导相变过程, 加工硬化指数迅速上升, 加工硬化行为和逆变奥氏体的形变诱导相变有良好的对应关系.

图5   原位拉伸实验中9Ni钢的加工硬化指数和逆变奥氏体含量随真应变的变化曲线

Fig.5   Variations of work-hardening exponent and volume fraction of reversed austenite with true strain in 9Ni steel during in situ tensile test

2.3 显微组织演变

图6为9Ni钢未变形时、拉伸至500 MPa (屈服之前)和700 MPa (屈服之后)后显微组织的TEM像. 由图6a和b所示的未变形试样的明场和暗场TEM像可见, 此时显微组织为马氏体基体上分布着块状和长条状的逆变奥氏体. 当施加500 MPa应力后(图6d), 由于逆变奥氏体和马氏体之间的应变不连续, 导致其界面变得模糊, 但此时逆变奥氏体并未发生形变诱导相变, 仍维持fcc结构. 当加载应力至700 MPa后(图6e), 与未变形试样中逆变奥氏体形貌相比, 此时显微组织被显著拉长, SAED谱显示其为bcc结构(图6f), 表明此时奥氏体已发生了形变诱导马氏体相变, 由fcc结构转变成bcc结构.

图6   未变形、加载应力至500和700 MPa时9Ni钢的TEM明场、暗场像和SAED谱

Fig.6   Bright-field (a, d, e), dark-field (b) TEM images and SAED patterns (c, f) of 9Ni steel before (a~c) and after applied stresses to 500 MPa (d) and 700 MPa (e, f)

3 分析讨论

图7为9Ni钢经780 ℃淬火+680 ℃两相区处理后的XRD谱. 由图可见, 此时实验钢中几乎不存在奥氏体. 由于实验钢的Ac1为580 ℃, 可以推测在680 ℃两相区处理加热和保温过程中, 有部分马氏体转变成奥氏体, 而在随后两相区处理的冷却过程中这部分奥氏体由于热稳定性不足, 全部发生分解. 而回火处理后保留到室温的逆变奥氏体是在回火过程中形成的. 图8为9Ni钢经淬火+两相区处理后的膨胀曲线. 由于在两相区处理过程中发生了部分马氏体到奥氏体以及奥氏体到马氏体的相变过程, 导致实验钢的化学成分分布不均匀, 部分区域由于富集奥氏体稳定化元素而导致材料的Ac1大幅降低. 由图8可知, 经过680 ℃两相区处理后, 实验钢的Ac1由初始的580 ℃降低到大约460 ℃, 从而导致在560~640 ℃回火处理的加热和保温过程中, 部分马氏体转变成奥氏体. 回火温度越高, 加热和保温过程中马氏体向奥氏体的转变量越大, 与此同时高温下奥氏体中富集的奥氏体稳定化元素浓度逐渐下降, 导致高温下的奥氏体在回火冷却过程中, 一部分残留至室温形成逆变奥氏体, 另一部分转变成淬火态马氏体[27], 其中保留至室温的奥氏体含量随着回火温度的升高先上升后下降, 而淬火态马氏体含量则随着回火温度的升高而上升.

图7   9Ni钢经淬火和两相区处理后的XRD谱

Fig.7   XRD spectrum of 9Ni steel after quenching and larmellarizing

图8   9Ni钢经淬火和两相区处理后的热膨胀曲线

Fig.8   Dilatometric curve of 9Ni steel after quenching and larmellarizing (ΔL—length change, Ac1—phase transition start temperature, Ac3—phase transition finish temperature)

9Ni钢经过回火处理后, 显微组织由回火态马氏体、淬火态马氏体和逆变奥氏体组成, 其中淬火态马氏体和逆变奥氏体之和等于回火过程高温下马氏体向奥氏体的转变量, 随回火温度的升高而升高. 根据双相钢的强度σDP近似计算公式[28]:

σDP=(1-VM)σF+VMσM(1)

式中, σF为铁素体强度, σM为马氏体强度, VM为马氏体体积分数. 可以近似认为热处理后9Ni钢的强度σ为:

σ=(1-VH)σS+VHσH(2)

式中, σSσH分别为组织中相对较软相和较硬相的强度, VH为较硬相的体积分数.

在9Ni钢中, 逆变奥氏体强度较低为软相. 如图2所示, 在560~640 ℃区间回火时, 实验钢中逆变奥氏体的含量随回火温度升高先上升后下降. 同时, 原位拉伸实验结果显示, 逆变奥氏体在拉伸变形过程中, 在发生宏观屈服前不发生形变诱导相变(图4和6d), 所以逆变奥氏体含量越高, 实验钢的屈服强度越低, 随回火温度的上升先下降; 而当回火温度继续上升时, 由于在回火冷却过程中出现大量的淬火态马氏体(图1d), 导致实验钢的屈服强度随回火温度的上升而上升(图3).

而在屈服之后的拉伸过程中, 逆变奥氏体在应力的作用下发生马氏体相变, 在工程应力达到实验钢断裂强度前基本全部转变成淬火态马氏体(图4, 6e和f). 因此, 对于抗拉强度, 逆变奥氏体在拉伸过程中通过形变诱导相变转变成的淬火态马氏体和回火过程中产生的淬火态马氏体都是相对较硬的相, 能够提高抗拉强度, 即在回火加热和保温时生成的奥氏体经回火冷却和拉伸过程在最终断裂前全部转变成了淬火马氏体. 而这部分淬火马氏体的含量随回火温度的升高而升高, 所以, 回火温度越高, 实验钢的抗拉强度就越高, 因此出现了图3中抗拉强度随回火温度逐渐升高的现象.

4 结论

(1) 9Ni钢经780 ℃淬火+680 ℃两相区处理及在560~640 ℃回火处理后, 逆变奥氏体含量随回火温度的升高先增加后减少. 在室温单轴拉伸过程中, 实验钢屈服之前逆变奥氏体稳定存在, 不发生形变诱导相变, 屈服之后随着应力的增大, 逆变奥氏体发生形变诱导相变转变成马氏体.

(2) 9Ni钢在560~640 ℃回火处理后室温屈服强度随回火温度的上升先下降而后上升, 而抗拉强度则随回火温度的升高逐渐增大.

(3) 回火加热和保温过程中形成的逆变奥氏体经回火冷却和拉伸过程在最终断裂前全部转变成了淬火马氏体, 导致抗拉强度随回火温度升高而升高. 同时, 由于逆变奥氏体的形变诱导相变在材料屈服之后发生, 所以屈服强度随回火温度的升高先降低而后增加, 与逆变奥氏体含量变化趋势相反.

感谢中国上海光源BL14B光线站为本实验提供同步辐射装置, 感谢国家电网河南电科院张盛华博士在同步辐射原位实验上给予的帮助, 感谢中国科学院金属研究所王健博士生在透射电镜操作与分析上给予的帮助.

The authors have declared that no competing interests exist.


/