微合金化超低碳马氏体不锈钢13Cr5Ni2Mo的组织和性能研究

摘要

超低碳马氏体不锈钢具有较好的力学性能，优良的抗水、气腐蚀性以及可焊性，近年来在核电工程构件、大型水轮机叶片、高压给水泵、石油钻井管道等能源领域的关键部件中得到广泛应用。本文针对超低碳马氏体不锈钢强度相对偏低和易出现δ-铁素体的问题，提出Nb-V-N复合微合金化的技术路线，以13Cr5Ni2Mo超低碳马氏体不锈钢为基础设计3种不同成分的微合金化钢，通过观察实验钢正火及正火+回火处理后的显微组织、测试其力学和电化学性能，分析讨论单纯N合金化与Nb-V-N微合金化对组织转变、常规力学和点蚀性能的影响规律，各种成分实验钢的组织一性能对应关系，回火温度与时间对组织和性能演变的作用。研究结果表明:
　　1.三种实验钢在正火组织均为板条马氏体、残余奥氏体和少量氮化物。在550℃～700℃的温度范围内回火发生板条马氏体回复，逆变奥氏体形成和碳氮化物析出。当回火温度较低时，薄膜状逆变奥氏体优先在马氏体板条间或原奥氏体晶界形成。随着回火温度的升高，逆变奥氏体先是由薄膜状分解并粗化为粒状，之后粒状逆变奥氏体继续长大并与相邻颗粒溶合成片层状，其体积分数逐渐增加并在650℃达到极大值。待温度高于650℃，部分逆变奥氏体在回火冷却过程中转变为二次马氏体。
　　2.在整个回火温度范围内，三种实验钢的屈服强度先慢后快地降低，变化幅度达250～300MPa;抗拉强度先快后慢降低到某一极值后升高，变化范围约150～200MPa;延伸率先降低后升高再降低，变化幅度在3％左右;冲击吸收功在550℃回火时出现异常脆性，降低50J以上，随后逐渐升高，650℃冲击功值最大，变化幅度小于20J。复合微合金化实验钢整体强度高于13Cr5Ni2Mo-0.04N，但冲击吸收功远远低于后者，且Nb量越多，其值下降越多。由此可见，在高氮的基础上进行Nb、V复合微合金化，金属材料的强度提高往往是以牺牲韧塑性为代价的。
　　3.正火态的三种实验钢点蚀电位最高，550℃回火后点蚀电位毫无例外地降低了约50mV;当回火温度升高到575℃，点蚀电位明显地提高了近40mV;此后在575℃～700℃回火温度范围内，尽管实验钢的点蚀电位在不同温度降低程度有所不同，但都是随着温度升高而单调降低。
　　4.分析13Cr5Ni2Mo-0.03Nb0.12V0.05N钢在一定回火温度不同保温时间的组织和力学性能以及相同保温时间不同回火温度元素配比情况可以证明逆变奥氏体形成机制是与回火温度和时间有关的扩散过程。在600℃回火，逆变奥氏体体积分数的饱和值约5％，其形核、长大到饱和值的时间为4.0h;由于逆变奥氏体形成量较低，除了回火初期对材料冲击吸收功影响较大，回火时间对屈服、抗拉强度和冲击吸收功影响不大。650℃回火时，材料的各种力学性能在前2.0h内发生剧烈变化，逆变奥氏体的饱和值约为10％。虽然逆变奥氏体在700℃回火体积分数较高，饱和值约为30％，但是由于形成时间短，以致在回火1.0h后性能基本稳定。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 马氏体不锈钢分类

1．2 超低碳马氏体铬镍不锈钢

1．3 超低碳马氏体不锈钢的合金化设计

1．4 微合金化不锈钢的发展

1．4．1 含Nb不锈钢的发展

1．4．2 含V不锈钢的发展

1．4．3 含N不锈钢的发展

1．5 电化学测试——循环阳极极化法

1．5．1 特征电位测定的基本原理

1．5．2 循环阳极极化法

1．6 本文研究内容与意义

第2章 实验方法

2．1 实验材料

2．2 组织分析

2．3 力学性能测试

2．3．1 拉伸实验

2．3．2 冲击实验

2．4 电化学实验

第3章 回火温度对实验钢组织和性能的影响

3．1 显微组织演变

3．1．1 13Cr5Ni2Mo-0．04N钢

3．1．2 13Cr5Ni2Mo-0．03Nb0．12V0．05N钢

3．1．3 13Cr5Ni2Mo-0．05Nb0．11V0．06N钢

3．1．4 逆变奥氏体含量计算

3．2 力学性能随回火温度的演变

3．2．1 屈服强度

3．2．2 抗拉强度

3．2．3 延伸率

3．2．4 冲击性能

3．3 电化学性能随回火温度的变化

3．3．1 循环阳极极化曲线

3．3．2 点蚀电位随回火温度的变化

第4章 回火时间对组织和性能的影响

4．1 13Cr5Ni2Mo-0．03Nb0．12V0．05N钢显微组织随时间的变化

4．2 13Cr5Ni2Mo-0．03Nb0．12V0．05N钢力学性能随时间的变化

第5章 结论

参考文献

致谢