冷变形对304不锈钢管晶界分布及微织构的影响

 浙江至德钢业有限公司采用电子背散射衍射技术研究了冷变形对304不锈钢管晶界分布和微织构的影响．电子散射衍射测试在扫描电镜配以公司研发的电子背散射衍射分析系统上进行．结果表明：冷变形对小角度晶界的含量影响不大，但冷变形后晶界特征分布变化明显；热轧板中无明显织构，冷变形后的样品出现了一些指数很大的织构，且这些织构在位置上存在一定关系，在冷变形试样（25％）中出现了较强的〈111〉和〈110〉织构。多晶材料中的晶界与织构强烈地影响着其使用性能，研究它们与材料性能之间的关系从而通过对晶界、织构的控制和设计来改进材料性能已成为材料研究领域一个前沿课题。304不锈钢管是一种在室温下具有单一奥氏体组织的不锈钢管，它具有耐蚀性强、可加工硬化及无磁性的优点，工程中获得了非常广泛地应用．大量研究表明，不锈钢发生晶间腐蚀的根本原因是由于晶界碳化物的析出导致晶界附近形成贫铬区造成的。目前广泛采用的措施如降低钢中的碳含量、添加碳元素的稳定剂、对奥氏体进行稳定化处理等都不足以从根本上防止晶间腐蚀的产生。

 20世纪80年代首次提出晶界设计与控制的概念以来，晶界设计已在传统金属材料中得到了广泛应用，并在提高不锈钢抗晶间腐蚀方面取得了成功。文献研究了退火温度、退火时间等工艺参数对304不锈钢管晶界特征统计分布和晶间腐蚀抗性的影响，发现经晶界设计的试样晶间腐蚀抗力大为提高。晶界的结构和性质对晶界迁动、溶质原子在晶界的偏聚等现象以及材料的力学和物理性能等都有影响。此外，织构的存在造成了材料力学性能上的各向异性对材料的加工性能有直接影响，对某些特殊用途的材料如硅钢等，织构的存在不但是无害而且是有益的，研究织构的种类及其对性能的影响具有重要意义。针对奥氏体不锈钢管晶界分布与织构对其性能的影响近两年也有所报道，但有关冷变形对奥氏体不锈钢晶界及织构影响的研究尚不太多。文中研究了单纯冷变形条件下304不锈钢管晶界分布及微织构的演化，试图从电子散射衍射的角度分析冷变形对晶界分布和微织构的影响，以期达到更深入地理解冷变形过程中304不锈钢管晶界及微织构的演化行为的目的。

一、实验材料及方法

 选用3ｍｍ的304不锈钢管，在200吨材料压力机上分别施以0％，5％，15％，25％的冷变形，并分别编为1＃，2＃，3＃，4＃试样。冷变形后的样品切割成10ｍｍ×10ｍｍ的小块，用502胶水粘在大小合适的金属基座上以方便后续抛光．样品采用机械抛光＋电解抛光的方法制备．实验参数：加速电压25KV，扫描区域120μｍ×120μｍ，扫描步长0.5μｍ。

二、实验结果及讨论

1. 冷变形对晶粒尺寸及晶界分布的影响

 传统304不锈钢管晶粒尺寸的测量方法主要借助于晶界反应，通过侵蚀突出显示晶界，这种方法对于能量比较低的小角度晶界尤其是严重孪晶组织的显示则比较困难。EBSD测试采用逐点逐行扫描，相邻点的晶体取向差小于5°（此角度由用户自行设定，本实验中为＜5°）视为同一晶粒．由于材料微观组织及样品表面状态的不同，其给出的结果带有一定的随机波动性．为了提高统计性和减小误差，在具体的测试中可以根据实验侧重点的不同，灵活掌握扫描步长和区域。EBSD技术和SEM结合不但可以通过调节电子束的扫描步长方便地测量不同尺度下的晶粒尺寸及其分布，而且其测量结果由于从晶体学的取向差出发从而更贴近于晶粒的本质，与材料性能之间的联系也更为直接和准确。

 图为304不锈钢管冷变形前后的晶粒尺寸分布，原始态的热轧板中80％的晶粒其尺寸在18μｍ以下；5％冷变形试样中晶粒尺寸分布有所变宽，但总体而言小尺寸晶粒的相对含量仍然有少量增加；15％冷变形试样的晶粒尺寸分布比原始热轧态试样有了显著改善；这种现象在25％冷变形试样中更加明显，此时晶粒尺寸分布已经很窄，94％的晶粒尺寸都集中在6μｍ以下。

 图为304不锈钢管冷变形前后试样晶界角分布，从图可以看出冷变形后的试样中晶界角分布有了不同程度的发散，大角度晶界随着冷变形量的增加其含量有所增加，小角度晶界含量则变化不大．未变形试样中除了小角度晶界占了绝大多数以外，还存在着相当数量的大角度晶界，这些大角度晶界主要集中在70°附近。5％冷变形试样中晶界角主要集中3°和60°附近，与冷变形前的热轧态试样晶界都主要有3°左右的小角度晶界和70°左右的大角度晶界构成相比，晶界的基本组成是一致的，只在大角度晶界分布上略有不同．随着冷变形量的增加，在15％和25％冷变形试样中晶界角分布明显发散，在38°和82°等处出现了相当含量的新的晶界．众所周知，大角度晶界能量比较高，晶界上的原子错配度很大，在实际使用中很容易成为裂纹的萌生源，此外这些高能的大角晶界还容易造成元素在晶界上的偏析．因此大角度晶界尤其是网格化的大角度晶界的含量及分布在奥氏体不锈钢中是需要给予密切关注的。

 图为304不锈钢管冷变形前后试样中重位点阵晶界的分布．从图中可以发现，未变形试样中晶界主要集中分布在这４个位置，其中这３个角度的晶界有着独特的性能，它们都属于晶界，具有较高的晶界失效抗力．其中对裂纹扩展有阻碍作用的低晶界占所有晶界的95％以上；另一个值得注意的重要实验现象是在未变形试样中，这3种特殊晶界的比例以数量计算大致为9∶3∶1，这个结果不是偶然的．文献在研究合金晶界特征分布及晶界优化时也发现了类似的现象，晶界的比例为63％，晶界的比例为18％和7％，三者的比例非常接近于9∶3∶1．这种现象可以用非共格晶界的迁移和反应模型来解释：非共格晶界的迁移和彼此相遇后可生成晶界，同样晶界的迁移和晶界相遇后可以生成晶界，可用以下公式表达晶界之间的反应。由于分别是二级和三级晶界，因此这3种晶界的稳定比例应该是9∶3∶1的关系。15％冷变形试样中晶界分布呈现出了几个新特点：一是晶界所占比例有所增加达到60％以上；二是在几处新的位置出现了一定强度的晶界，对提高材料的晶界失效抗力有帮助；其性能已经与一般大角度晶界相差不多．另外值得注意的一点是15％冷变形试样中，这,3种特殊晶界的比例大幅偏离了9∶3∶1的GBCD优化的理想比例，这是否会对材料的耐晶间腐蚀性能造成影响以及这是否是由于冷变形造成等都有待于进一步的实验观察和研究。

 2. 冷变形对微织构的影响

 图为304不锈钢管未变形试样的晶体取向图、极图和反极图。从极图中可以看出热轧态试样中无明显的取向集中，面上的极点呈弥散分布状态，其反极图也印证了这个判断．在反极图中密度水平最高为16，但其分布却十分分散，由此可见在热轧态试样中基本上都是随机取向的晶粒，晶粒的择优取向不明显。

 图为304不锈钢管5％冷变形试样的分析结果，奥氏体不锈钢是一种层错能比较低的面心立方金属，其塑性变形主要依靠位错滑移机械孪生和非晶体学剪切带变形方式来完成．在塑性变形量较小时（＜55％）机械孪生和剪切带均很不活跃，主要的变形方式是位错滑移。中可以观察到的一个重要的实验现象是晶粒的择优，取向与其周围的晶粒的取向有一定的关系：晶体取向为的晶粒（图中红色所示）与取向为的晶粒（图中绿色所示）在晶体取向图上处于相邻位置．分析这两种取向发现，它们的择优晶向都为，仅择优取向的晶面略有不同。其他几种织构组分也存在着类似的现象，所不同的是它们的择优取向的晶面相同而晶向不同．文献在研究镁合金的锻造变形时也发现了类似的情况．由于材料微观组织及应力分布的不同，塑性变形在不同的区域和组织是不同步的，有的部位容易变形有的部位不容易变形，难以变形的区域要靠机械孪晶来协调，其织构也是有差异的。

 图为304不锈钢管15％冷变形试样的分析结果，从面上的极图发现极点分布有明显偏聚，对数据的进一步分析处理显示在15％冷变形试样中存在着明显的织构，其主要织构组分与５％冷变形试样相比，随着冷变形量的增加织构的指数有减小的趋势。

 图为304不锈钢管25％冷变形试样的极图和反极图，在25％的冷变形条件下，试样中的各个晶粒之间较充分地协调了各自的转动和变形，最终试样中的各个晶粒都趋于同一个指向，反映在织构中就是织构组分数目的减少和其锐度的增加，从样品的反极图中可以清楚地得出这个判断：在反极图中晶向指向的晶粒占了绝大多数．进一步的分析表明在25％冷变形试样中存在两种纤维织构，这是层错能低的面心立方金属在发生冷墩压变形时的典型特征。

三、结论

 1. 冷变形对304不锈钢管试样的小角度晶界含量影响不大，但晶界特征分布发生了明显变化：未变形试样中低晶界主要出现在等处，其中晶界的含量在50％以上，晶界的比例大致为9∶3∶1；15％冷变形试样中低晶界主要出现在等处，与未变形试样相比晶界含量有所增加达到60％左右，但晶界间的相对比例明显偏移。

 2. 未变形304不锈钢管试样无明显织构，冷变形后试样中晶粒具有了不同程度的择优取向：5％冷变形试样中出现了指数很大的织构组分，随着冷变形量的增加，取向指数有减小的趋势；25％冷变形试样中观察到了典型的冷墩压形成的织构。

 3. 冷变形304不锈钢管试样晶粒的取向与周围晶粒的取向存在着一定联系，如5％冷变形试样中在晶体取向图中就位于相邻的晶粒，这与冷变形时材料的微观应力集中和晶粒的协调变形及转动有关。