不同铌含量的310S不锈钢管耐1100℃高温冲击力学性能分析

 由于接受高放废物的容器在服役过程中需要经受1100℃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。新型奥氏体耐高温不锈钢是以310S不锈钢管为基础，通过添加不同含量的铌使合金中弥散析出Nb(C,N)提高材料的高温力学性能。有第二章可知：不同铌添加量会影响铌在新型奥氏体耐高温不锈钢中的存在形态，其可能影响新型奥氏体耐高温不锈钢的力学性能，因此对不同铌含量的新型奥氏体耐高温不锈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310S不锈钢管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耐高温不锈钢力学性能的影响，确定新型310S不锈钢管中合适的铌含量。

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1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不锈钢管试样在室温和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不锈钢管试样在室温进行室温冲击性能测试。新型奥氏体耐高温不锈钢的冲击功较高，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、铌对新型310S不锈钢管室温力学性能的影响

  表为不同铌含量新型310S不锈钢管力学性能表。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新型310S不锈钢管在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，比不含铌合金的冲击功高；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、铌对新型310S不锈钢管高温拉伸性能的影响

  图为铌含量对新型310S不锈钢管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，随着铌含量的增加，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。一般认为奥氏体耐高温不锈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Nb(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Nb(C,N)析出相，这些大块的Nb(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Nb(C,N)析出相，根据溶度积公式可知，4#与5#合金中铌的固溶量要大与2#和3#合金中的固溶量。当铌含量为0.32时，Nb(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Nb(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Nb(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Nb(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Nb(C,N)析出相，其尺寸约为5-6μm，大块的Nb(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Nb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、Nb(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Nb(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Nb含量增加而下降。

四、 结论

  1. 对新型310S不锈钢管进行1100℃一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. 对不同你含量的新型310S不锈钢管进行高温拉伸试验，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为~240MPa。

  3. 合金的700℃拉伸时，当Nb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，Nb(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、Nb(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Nb(C,N)长大，是晶界开裂开裂源，使材料高温强度降低。