至德钢业新型奥氏体高铌（Nb）310S耐热钢力学性能分析

 由于接受高放废物的容器在服役过程中需要经受1100℃左右的高温冲击，因此接收容器的材料必须具有可靠的强度性能。新型奥氏体耐热钢是以310S耐热钢为基础，通过添加不同含量的铌使合金中弥散析出铌(C,N)提高材料的高温力学性能。不同铌添加量会影响铌在新型奥氏体310S耐热钢中的存在形态，其可能影响新型奥氏体耐热钢的力学性能，因此对不同铌含量的新型奥氏体310S耐热钢进行力学性能测试很有必要。浙江至德钢业有限公司对不同铌含量的奥氏体310S耐热钢进行室温拉伸性能和高温拉伸性能以及室温冲击性能测试，研究铌含量对新型奥氏体310S耐热钢力学性能的影响，确定新型奥氏体耐热钢中合适的铌含量。

 一、实验材料与实验方法

 由第二章可知部分材料在三墩三拔后显微组织依然存在不均匀现象，且新型奥氏体耐热钢在工程使用时一般需要进行固溶处理。因此本研究在不同铌含量的钢棒用线切割切取60mm×50mm×50mm小块，然后进行一小时的1100℃固溶处理，固溶处理后水冷至室温。对不同铌含量的310S耐热钢试样在室温和700℃和800℃进行拉伸性能测试。拉伸试样按照GB/T4338-2006加工，每组试样加工三支。25℃拉伸试验采用拉伸机型号为岛津公司AG-100kNG，700℃和800℃拉伸试验采用的拉伸机为MTS E45.105 电子万能试验机。对不同铌含量的310S耐热钢试样在室温进行室温冲击性能测试。新型奥氏体耐热钢的冲击功较高，因此冲击试样按照GB/T229-2007中小试样加工，每组试样加工三支。冲击试验机为ZBC 2452-C自动冲击试验机。

二、铌对310S耐热钢室温力学性能的影响

 表为不同铌含量310S耐热钢力学性能表，从表中可以看，铌含量对材料的抗拉强度和屈服强度影响不大，屈服强度在270MPa左右，抗拉强度在600MPa左右，但是材料的延伸率和面缩率随着铌元素添加量的提高而降低。图给出了不同铌含量的310S耐热钢在1100℃固溶1小时水冷后，室温V形缺口冲击功。从图中可以看出：当铌含量为0.036%时，合金的冲击功最高，为134J，比不含Nb合金的冲击功高；当铌含量大于0.036%时，合金的冲击功值随铌含量升高而降低。

三、铌对310S耐热钢高温拉伸性能的影响

 图为铌含量对新型奥氏体耐热钢高温抗拉强度的影响，从图中可以看出，试样700℃时抗拉强度随着铌含量的增加逐渐增加。其中，铌含量小于0.12%时，随着Nb含量的增加，抗拉强度快速增加，铌含量大于0.12%时，抗拉强度随铌含量缓慢增加，增加幅度较小。试样800℃时材料的抗拉强度初始随着铌含量的增加逐渐增加，当铌含量为0.32%时，合金的抗拉强度达到最大值，当铌含量继续增加到0.54%时，抗拉强度略低于3.2%铌含量的试样。

 1. 700℃高温抗拉强度分析

  图为1#合金在室温、700℃和800℃拉伸断裂后试样平行段横剖面形貌SEM图，从图中看出，1#合金室温下拉伸样品晶界处和晶粒内部没有观察到明显的析出物，700℃拉伸样品有析出相在奥氏体晶界处析出，所有晶界处析出相为典型膜状形貌，而且部分开始由晶界向晶内一侧以棒状组织方式生长。800℃拉伸试样析出相形貌特征与700℃拉伸试样一样，但是800℃析出物的析出量比700℃多，并在晶界处产生孔洞。根据第二章平衡相图计算结果可知，1#合金在700℃和800℃析出相有σ相、M23C6相和Z相。Iseda在研究HR3C钢蠕变后析出相发现，在700℃需要数百小时才能析出 Z相，至德钢业技术人员研究高温和应力作用下国产S30442钢中Ｚ相的析出行为时也得出相似结论。一般认为奥氏体耐热钢在长时间时效才会有σ相析出。对HR3C钢进行短时时效处理后发现：HR3C钢在750℃以上1小时在晶界处析出相为典型膜状形貌，通过透射电镜析出相电子衍射标定确定其为M23C6，因此可以确定1#合金在700℃和800℃析出相为M23C6。

  图为不同Nb含量合金700℃拉伸后样品平行段SEM显示的组织形貌，1#，2#和3#合金只在晶界处有M23C6析出相。4#样品中除了在晶界处有M23C6析出相，同时在晶界和晶粒内部存在小块状析出相，其大部分尺寸在2-3μm，对其进行能谱分析，可以确定析出相为铌(C,N)。5#样品在晶界处存在M23C6析出相，同时晶内的存在大块的铌(C,N)析出相，这些大块的铌(C,N)析出相在高温拉伸时发生断裂。当铌含量小于0.32%，铌元素的固溶强化对材料的高温拉伸强度提高明显，且铌含量越高，合金的高温抗拉强度越高。当铌含量大于0.32时，基体内部除了固溶态的铌还有铌(C,N)析出相，根据溶度积公式可知，4#与5#合金中Nb的固溶量要大与2#和3#合金中的固溶量。当铌含量为0.32时，铌(C,N)相析出会使M23C6析出量减少，一般情况下奥氏体耐热钢中M23C6的析出会提高材料的强度，因此高铌含量试样因M23C6析出导致的材料强度升高的作用低于低铌含量试样。但是0.32%铌的合金时的高温强度仍比0.12%铌合金高，说明铌(C,N)相对合金的高温强度提高比M23C6对合金的高温强度提高更有效。随着铌含量提高到0.54%时，基体中析出的铌(C,N)长大，其对高温抗拉强度的影响逐渐降低。因此铌含量大于0.32%时，合金的700℃抗拉强度随铌含量增加上升缓慢。

 2. 800℃高温拉伸分析

  图为不同铌含量合金800℃拉伸后样品平行段组织形貌的SEM图。可以看出，1#，2#和3#合金晶界处存在大量的M23C6析出相。4#样品不仅在晶界处存在M23C6析出相，同时晶粒内部存在小块铌(C,N)析出相，其尺寸约为2-3μm。5#样品在晶界处存在M23C6析出相和大块的铌(C,N)析出相，其尺寸约为5-6μm，大块的铌(C,N)析出相降低晶界强度，在高温拉伸时是晶界开裂源。当铌含量小于0.32%，其铌固溶强化作用与700℃固溶强化作用一样，且铌含量越高，合金的高温拉伸强度越高。当铌含量为0.32时，铌固溶强化、铌(C,N)相和M23C6相共同作用提高了合金的高温拉伸性能，但是随着铌含量提高到0.54%时，晶界析出的铌(C,N)长大，其与基体的适配度降低，降低了合金的晶界强度，使晶界开裂，所以降低了材料的抗拉强度。因此铌含量大于0.36%时，合金的800℃拉伸强度随铌含量增加而下降。

四、结论

  1. 对新型奥氏体耐热钢进行1100℃，1小时固溶处理后水冷，消除锻后组织的不均匀性后测试了其室温和高温力学性能。新型奥氏体310S耐热钢的室温拉伸性能随铌含量增加变化不大，但是室温拉伸延伸率和断面收缩率随铌含量增加而降低。室温冲击功随铌含量增加先增大后减小，在铌含量为0.036%时，合金的冲击功达到最大值为134。

  2. 对不同铌含量的新型奥氏体耐热钢进行高温拉伸试验，材料在700℃的高温抗拉强度随铌含量的增加逐渐增加，含0.54%铌的5#试样的抗拉强度为384MPa；材料在800℃的高温抗拉强度随铌含量的增加先增加后降低，含0.32% 铌的4#合金高温抗拉强度最大240MPa。

  3. 合金的700℃拉伸时，当铌含量小于0.32%，铌元素的固溶强化对材料的高温抗拉强度提高明显，且铌含量越高，合金的高温抗拉强度越高；当铌含量大于0.32时，铌(C,N)相对合金的高温抗拉强度提高比M23C6对合金的高温抗拉强度提高更有效，合金的700℃抗拉强度随铌含量增加上升缓慢。在800℃拉伸时，当铌含量小于0.32%，其铌固溶强化作用与700℃固溶强化作用一样，且铌含量越高，合金的高温抗拉强度越高。当铌含量为0.32时，铌固溶强化、铌(C,N)相和M23C6相共同作用提高了合金的高温抗拉性能。但是随着铌含量提高到0.54%时，晶界析出的铌(C,N)长大，是晶界开裂开裂源，使材料高温强度降低。