碳元素对（06Cr19Ni10）304不锈钢高温力学性能的影响

 浙江至德钢业有限公司对不同碳含量的304不锈钢材料进行固溶处理，研究了固溶后试样的高温力学性能和抗晶间腐蚀性能，研究发现：随着合金元素碳元素含量的增加，0Cr19Ni9材料的350℃高温力学拉伸强度逐渐增加，最大达到Rm为419MPa，碳含量的增加促使抗晶间腐蚀性能下降，碳量较高的试样在晶间腐蚀实验时出现微裂纹。因此当采用增加碳元素含量的方法来提高材料的高温力学性能时，要合理控制碳含量的范围，避免出现晶间腐蚀。

 304奥氏体不锈钢是工业领域应用最常见、最广泛的不锈钢，通常由铬和镍配合而成，也是最常见的，其为18-8型不锈钢钢种之一。这类钢具有良好的耐腐蚀性，由于为面心结构材料，故其具备良好的室温及低温韧性、塑性，没有冷脆倾向，具有微弱的磁性，且冷加工硬化能力也很高。由于奥氏体比铁素体再结晶温度高，所以这类钢可以作为在350℃以上工作的热强钢材料，因此，304不锈钢被广泛应用于阀门类等压力容器类产品制造所需的原材料。304不锈钢在室温下的平衡组织是由α铁素体加奥氏体组成，由于在固溶状态下其耐蚀性和高温力学性能较好等优点，故该材料固溶状态的应用范围特别广泛。304不锈钢的高温性能的好坏直接制约着该材料的使用范畴，浙江至德钢业有限公司主要研讨影响304不锈钢固溶效果的主要因素以及如何提升0Cr19Ni9材质的350℃高温力学性能，增强材料的使用性能。

一、试验材料与方法

 试验用坯料选用真空感应炉熔炼成的规格为200mm×200mm×300mm钢锭，三种坯料的化学成分如表所示，其中各坯料的碳含量分别为0.014%，0.047%和0.078%，其他元素化学成分差异不大。坯料经750kg锻锤开坯成100mm×100mm×1200mm长方坯料，然后统一采用1050℃×3小时热处理后水冷的固溶冷却方式。固溶处理后的试样分别加工成12.5mm×120mm的标准圆形拉伸试样和晶间腐蚀试样，在CMT4000型万能试验拉伸机中进行350℃高温力学拉伸实验，按照GB/T4334.5中的规定对晶间腐蚀试样进行相关实验，采用OLYMPUSGX51型光学金相显微镜观察金相，采用ZEISSEOV18型SEM观察弯曲试样的断口和能谱分析，并对实验结果进行分析。

二、试验结果与分析

 1. 碳元素含量对高温拉伸性能的影响

  下页表为不同碳元素含量的304不锈钢在固溶热处理后，钢锭A、B、C的试样所检测的力学高温拉伸性能结果。通过表可以看出，当钢锭的碳元素含量不同时，材料在350℃高温表现出了不同的力学性能，其高温性能随着碳元素含量的增加而呈现递增趋势，造成这种性能的差异主要是因为06Cr19Ni10不锈钢材料在固溶时，碳元素原子半径小，故而碳元素以间隙固溶体的方式形成晶格畸变，造成位错密度增加，起到固溶强化作用。由于06Cr19Ni10不锈钢为面心晶格材料，其固溶体溶解度比较大，所以碳元素能大量的溶解到固溶体内，碳元素的溶解使得晶格畸变时产生了应力场，与位错周围的弹性应力场相互影响，让合金组元的很多其他原子聚集在位错周围形成强化的“气团”，起到了针扎晶界迁移的作用，当进行力学高温拉伸实验时，试样内部微观的位错滑移难度加大，使试样的切变应力加大，造成了试样宏观上的强度的提升，因而使得我们看到的0Cr19Ni9不锈钢材料的350℃高温性能随着C元素的增加而表现出力学性能不断提升。

  2. 碳含量对晶间腐蚀的影响

  将不同碳含量固溶热处理后的304不锈钢试样按照标准规定进行弯曲，试样弯曲后的晶间腐蚀检测结果如表所示。通过表可以看出，当钢锭的碳元素含量不同时，材料在晶间腐蚀实验中，出现了不同的实验结果，当碳含量增加到0.078%时，C试样的晶间腐蚀试样出现开裂。根据钢锭C的晶间腐蚀实验结果，选取了开裂部位进行微观组织观察。

  图中500倍光学显微镜金相形貌，图中的金相微观组织为奥氏体组织，其中该图片观察的组织图中，在晶界和晶内处存在一些不同形态的碳化物。结合图所示的微观组织图片，我们发现，随着化学元素碳元素的增加，引发的成分偏析愈发明显，在碳元素浓度大的区域，当碳元素局部无法全部固溶于固溶体时，未被固溶的碳元素由于原子半径较小，故而游离固溶体，由于碳原子本身的亲和力强，它结合附近的铬元素，形成富含大量碳、铬等元素组成的碳化物，其主要碳化物为M₂₃C₆，这些碳化物主要在晶界和晶内析出和沉淀，这样引起了附近区域铬元素的降低，由于铬元素扩散速度缓慢，造成了铬元素的局部富集，进而使得固溶基体出现贫铬区和富铬区，这种化学成分的不均匀，造成了贫铬区和富铬区之间的电极电位差加大，导致了同一金属材料在微观上不同区域间出现了不同的电极电位，使该钢在电解质溶液中产生微电池作用，进而产生电化学腐蚀，这极大的降低了材料抗晶间腐蚀的能力，非常不利于材料的晶间腐蚀。06Cr19Ni10不锈钢材料晶界和晶内析出的M₂₃C₆碳化物除了产生电化学腐蚀，促使06Cr19Ni10不锈钢的耐蚀性进一步下降之外，该碳化物大量的析出也破坏了材料基体的连续性和稳定性，当受到外界施加的应力时，基体06Cr19Ni10不锈钢材料内部各个部位出现了不同的变形抗力行为，其力学性能表现出不一致塑性性能，进而在承受抗力较弱的部位优先出现微裂纹，即材料的局部断裂破坏，这也是钢锭碳晶间腐蚀试样断裂主要原因。

三、结语

  304不锈钢中，随着合金元素C元素含量的增加，06Cr19Ni10不锈钢材料的350℃高温力学拉伸性能逐渐增加，当碳含量为0.078%时，Rp0.2和Rm分别增长到163MPa和419MPa。随着碳含量的增加，含碳量较高的试样在晶间腐蚀实验时出现微裂纹，造成这种腐蚀的主要原因是的M₂₃C₆碳化物产生。因此，采用增加06Cr19Ni10不锈钢材料C元素含量可以提高材料的350℃高温力学性能，但同时要合理控制的碳含量范围，避免产生M₂₃C₆碳化物，进而避免材料的耐蚀性下降，使得材料的使用功能不发生较大改变。