316L(N)奥氏体不锈钢晶间腐蚀与晶界特征分布优化的研究

　　【摘要】：316L(N)奥氏体不锈钢具有优良的力学和抗腐蚀性能,常作为结构材料应用于石油、化工、电力和核工业等领域。但在恶劣的服役条件下材料仍可能失效。316L(N)不锈钢的力学性能和抗腐蚀性能很大程度受到奥氏体晶粒组织和晶界的影响,因此通过组织细化和晶界特征分布优化可以提高316L(N)不锈钢的力学和耐晶间腐蚀性能。本文对316LN不锈钢的热变形工艺进行优化,研究了热变形参数对316LN不锈钢晶粒尺寸的影响,并对最优化的热变形参数进行验证。通过模拟相图确定316LN不锈钢的敏化温度区间,再用电解浸蚀、电化学方法和透射分析研究了敏化处理工艺对316LN不锈钢晶间腐蚀的影响,并从实验和理论方面研究晶粒尺寸对材料抗晶间腐蚀性能的影响。由于316LN不锈钢氮含量较高导致析出相较多且复杂,本文选用316L不锈钢来进行晶界特征分布优化及服役性能研究。通过定位观测的方法研究了形变热处理优化316L不锈钢晶界特征分布的作用及机理,并解释了特殊晶界和大角度随机晶界在材料拉伸性能和腐蚀疲劳性能中起的作用与机理。主要研究内容和结论如下:(1)通过田口法设计研究了热变形参数对316LN不锈钢晶粒尺寸的影响,结果表明获得最小平均晶粒尺寸的变形温度为1100℃,变形速率为0.01s-1,变形量为70%,其中变形量对316LN不锈钢热变形后平均晶粒尺寸的影响程度最大,达到93.33%。变形温度和变形量越高,变形速率越低时试样的动态再结晶体积分数越高,316LN不锈钢的晶粒组织越均匀,平均晶粒尺寸越小。在优化参数的热变形处理下,试样的平均晶粒尺寸从原始态的147m减小至11.4m,细化效果明显。(2)模拟相图计算和电解浸蚀实验结果发现敏化处理会引起316LN不锈钢的晶间腐蚀。研究了敏化温度,敏化时间和晶粒尺寸对316LN不锈钢晶间腐蚀的影响及其机理,结果表明敏化时间固定为48h,当敏化温度达到700℃时,以及敏化温度固定为650℃,时间达到400h时,316LN不锈钢的晶间腐蚀最严重,晶界处析出了相,M23C6相和M7C3相。此时晶界析出严重,晶粒被深的腐蚀沟壑所包围。同时发现,晶粒尺寸的减小使晶界数量增加,碳氮原子扩散至晶界的距离减小,晶界处铬的浓度降低,晶间腐蚀程度加剧。(3)研究了形变热处理对316L不锈钢晶界特征分布的影响及其机理,结果表明小变形比中大变形更容易诱发特殊晶界形核,变形量为5%时,试样在退火过程中发生了以生成低能量特殊晶界为主的局部再结晶,随后晶粒长大,高能量的大角度随机晶界逐渐减少,之后主要发生E3+∑3n→∑3n+1的∑3n型晶界反应,因此试样特殊晶界比例大幅上升,退火时间达到90min时试样特殊晶界比例提高至74%。变形量大于等于10%时,较大的变形储能使试样发生以产生高能量大角度随机晶界为主的完全再结晶,特殊晶界比例较低且只能随着晶粒的长大而缓慢上升。多次形变热处理的最后一步工艺对特殊晶界比例起重要作用,最后一步采用5%变形量可促进特殊晶界形核,采用10%变形量则促进生成大角度随机晶界。(4)研究了固溶处理,敏化处理和形变热处理对316L不锈钢拉伸性能和腐蚀疲劳性能的影响及其机理,并探讨了特殊晶界对力学性能以及力学和腐蚀综合性能的影响,结果表明1100℃固溶处理有利于析出相回溶,试样拉伸韧窝数量增多且加深,韧性明显提高。700℃的敏化处理使晶界析出相增多,晶界变硬变脆,使材料的拉伸应力和抗拉强度明显提高,韧性降低。升高特殊晶界比例会降低敏化处理对316L不锈钢的强化作用,材料强度降低而韧性提高。但在腐蚀疲劳实验中,较高的特殊晶界比例(74%)使晶界不能有效阻碍疲劳条带的传播,裂纹较早萌生;而较低的特殊晶界比例(55%)造成大角度随机晶界过多且连接通畅,裂纹尖端容易被腐蚀,导致裂纹扩展速率过快。相比之下,5%形变后1000℃退火45min时试样具有66%的特殊晶界比例且晶粒尺寸适中,获得了最长的腐蚀疲劳寿命。