高强铁素体时效不锈钢成分设计和性能研究

论文摘要

当前海洋开发中使用的奥氏体或马氏体时效不锈钢耐海水点蚀能力不足,而耐点蚀能力强的铁素体不锈钢强度（σ02<300MPa）低,高强铁素体时效不锈钢的成本优势和优良性能使得这类合金材料在海洋开发有重要应用。在本工作中,我们探索了新型高强铁素体时效不锈钢成分,并研究了新合金的电化学和力学性能。我们将“团簇加连接原子”结构模型应用于分析铁素体时效不锈钢的短程序结构和成分。结合相图、元素间混合焓和BCC结构的近邻原子的拓扑位型,确认了Fe-Cr BCC固溶体的基础团簇式[Cr-Fe1oCr4]Cr。在此基础上开展替代式多元合金化。具体地,用Ni、Cu、Al替代团簇心部原子Cr；而以Mo、Ti、Nb、V部分替代连接原子Cr,得出多元铁素体时效不锈钢的团簇式[（Ni16-m-nCumAln）-Fe160Cr64]（Cr16-o-p-q-rMooTipNbqVr）（取值范围：0≤m+n≤16,0≤o+p+q+r≤16）。设计出系列新合金成分：1#-[Cr-Fe12Cr2]Cr;2#-[（Ni14Cu2）-（Fe160Cr64）]（Cr7Mo6Ti2Nb1）；3#-[（Ni12Cu2A12）-（Fe160Cr64）]（Cr7Mo7TilNb1）；4#-[（Ni12Cu3Al1）-（Fe160Cr64）]（Cr7Mo6V1Ti1Nb1）；5#-[（Ni14Cu2）-Fe160Cr64]（Cr8Mo5.5Ti2Nb0.5）：6#-[（Ni12Cu4）-Fe160Cr64]（Cr8Mo5.5Ti2Nb0.5）；7#-[（Ni14Cu2）-Fe160Cr64]（Cr8Mo5.5Ti1Nb0.5A11）；8#-[（Ni13Cu3）-Fe160Cr64]（Cr8Mo5V05Nbo.5Ti1Al1）。采用铜模吸铸技术制备Φ6mm的合金棒,在1030℃和1150℃固溶处理,保温时间0.5h,水淬；时效温度555℃,保温时间3h,空冷。X射线衍射结果表明合金铸态均为单相BCC结构；固溶处理温度为1150℃时获得单相BCC结构,而在1030℃固溶处理的样品中有第二相存在。时效样品中主要相为BCC固溶体。其上有第二相析出,其中5#-8#四种合金中第二相粒子尺寸较小（0.5μm）,第二相呈均匀的弥散分布。电化学腐蚀研究结果表明在3.5wt.%NaCl溶液中,合金的自腐蚀电位Ecorr=-0.23--0.12V；自腐蚀电流icorr=0.987～4.41μ/mm2；点蚀电位Eb=1.45～1.5V。对比已有合金00Cr26Ni6Mo4CulTi,耐点蚀性大幅提高。时效后合金硬度值范围为H,=347～436。拉伸实验表明2#合金的拉伸屈服强度602=1017MPa；抗拉强度σb=1287MPa；断后延伸率ε=7.7%。时效处理造成的第二相粒子强化效应明显。新合金的强度高于00Cr26Ni6Mo4CulTi（σ02=890MPa,ε=17.5%）,但塑性降低。系列合金成分的范围为：Cr：～25.0-27.0wt.%；Ni：～4.0-6.0wt.%；Mo：～3.0-6.0wt.%：Cu：～1wt.%;Ti：～0.3-0.7wt.%：Nb：～0.3-0.7wt.%；Al：～0.2wt.%；V：～0.2wt.%。和已有合金00Cr26Ni6Mo4CulTi成分差别主要在于增加了微合金化元素Nb、Al、V, Mo含量较低。本研究工作与成果为研制耐点蚀的高强铁素体时效不锈钢提供了新的思路和方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 不锈钢概述
• 1.2 铁素体不锈钢的发展和应用
• 1.2.1 铁素体不锈钢的分类
• 1.2.2 铁素体不锈钢的应用
• 1.3 铁素体不锈钢微结构和性能
• 1.3.1 Fe-Cr二元合金相图
• 1.3.2 铁素体不锈钢中的相
• 1.3.3 铁素体不锈钢的优缺点
• 1.3.4 铁素体不锈钢中的合金化元素
• 1.4 选题意义及本课题研究内容
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 2 成分设计
• 3 实验方法
• 3.1 样品制备
• 3.2 组织结构表征
• 3.2.1 X射线衍射分析（XRD）
• 3.2.2 金相分析
• 3.3 性能测试
• 3.3.1 维氏硬度测试
• 3.3.2 拉伸试验
• 3.3.3 电化学腐蚀实验
• 10Cr₄]Cr的多元系列合金的制备和性能表征'>4 基于[Ni-Fe₁₀Cr₄]Cr的多元系列合金的制备和性能表征
• 4.1 相鉴定与显微组织分析
• 4.2 显微硬度测试
• 4.3 电化学腐蚀测试
• 4.4 室温拉伸实验
• 4.5 小结
• 14Cu₂)-(Fe₁₆₀Cr₆₄)]（Cr₇Mo₆Ti₂Nb₁）的优化'>5 合金[(Ni₁₄Cu₂)-(Fe₁₆₀Cr₆₄)]（Cr₇Mo₆Ti₂Nb₁）的优化
• 5.1 成分设计
• 5.2 相鉴定和显微组织分析
• 5.3 显微硬度测试
• 5.4 电化学腐蚀测试
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 硬度测试值
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢