【摘要】：316L(N)奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的力學(xué)和抗腐蝕性能,常作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于石油、化工、電力和核工業(yè)等領(lǐng)域。但在惡劣的服役條件下材料仍可能失效。316L(N)不銹鋼的力學(xué)性能和抗腐蝕性能很大程度受到奧氏體晶粒組織和晶界的影響,因此通過(guò)組織細(xì)化和晶界特征分布優(yōu)化可以提高316L(N)不銹鋼的力學(xué)和耐晶間腐蝕性能。本文對(duì)316LN不銹鋼的熱變形工藝進(jìn)行優(yōu)化,研究了熱變形參數(shù)對(duì)316LN不銹鋼晶粒尺寸的影響,并對(duì)最優(yōu)化的熱變形參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)模擬相圖確定316LN不銹鋼的敏化溫度區(qū)間,再用電解浸蝕、電化學(xué)方法和透射分析研究了敏化處理工藝對(duì)316LN不銹鋼晶間腐蝕的影響,并從實(shí)驗(yàn)和理論方面研究晶粒尺寸對(duì)材料抗晶間腐蝕性能的影響。由于316LN不銹鋼氮含量較高導(dǎo)致析出相較多且復(fù)雜,本文選用316L不銹鋼來(lái)進(jìn)行晶界特征分布優(yōu)化及服役性能研究。通過(guò)定位觀測(cè)的方法研究了形變熱處理優(yōu)化316L不銹鋼晶界特征分布的作用及機(jī)理,并解釋了特殊晶界和大角度隨機(jī)晶界在材料拉伸性能和腐蝕疲勞性能中起的作用與機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)通過(guò)田口法設(shè)計(jì)研究了熱變形參數(shù)對(duì)316LN不銹鋼晶粒尺寸的影響,結(jié)果表明獲得最小平均晶粒尺寸的變形溫度為1100℃,變形速率為0.01s-1,變形量為70%,其中變形量對(duì)316LN不銹鋼熱變形后平均晶粒尺寸的影響程度最大,達(dá)到93.33%。變形溫度和變形量越高,變形速率越低時(shí)試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)越高,316LN不銹鋼的晶粒組織越均勻,平均晶粒尺寸越小。在優(yōu)化參數(shù)的熱變形處理下,試樣的平均晶粒尺寸從原始態(tài)的147m減小至11.4m,細(xì)化效果明顯。(2)模擬相圖計(jì)算和電解浸蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)敏化處理會(huì)引起316LN不銹鋼的晶間腐蝕。研究了敏化溫度,敏化時(shí)間和晶粒尺寸對(duì)316LN不銹鋼晶間腐蝕的影響及其機(jī)理,結(jié)果表明敏化時(shí)間固定為48h,當(dāng)敏化溫度達(dá)到700℃時(shí),以及敏化溫度固定為650℃,時(shí)間達(dá)到400h時(shí),316LN不銹鋼的晶間腐蝕最嚴(yán)重,晶界處析出了相,M23C6相和M7C3相。此時(shí)晶界析出嚴(yán)重,晶粒被深的腐蝕溝壑所包圍。同時(shí)發(fā)現(xiàn),晶粒尺寸的減小使晶界數(shù)量增加,碳氮原子擴(kuò)散至晶界的距離減小,晶界處鉻的濃度降低,晶間腐蝕程度加劇。(3)研究了形變熱處理對(duì)316L不銹鋼晶界特征分布的影響及其機(jī)理,結(jié)果表明小變形比中大變形更容易誘發(fā)特殊晶界形核,變形量為5%時(shí),試樣在退火過(guò)程中發(fā)生了以生成低能量特殊晶界為主的局部再結(jié)晶,隨后晶粒長(zhǎng)大,高能量的大角度隨機(jī)晶界逐漸減少,之后主要發(fā)生E3+∑3n→∑3n+1的∑3n型晶界反應(yīng),因此試樣特殊晶界比例大幅上升,退火時(shí)間達(dá)到90min時(shí)試樣特殊晶界比例提高至74%。變形量大于等于10%時(shí),較大的變形儲(chǔ)能使試樣發(fā)生以產(chǎn)生高能量大角度隨機(jī)晶界為主的完全再結(jié)晶,特殊晶界比例較低且只能隨著晶粒的長(zhǎng)大而緩慢上升。多次形變熱處理的最后一步工藝對(duì)特殊晶界比例起重要作用,最后一步采用5%變形量可促進(jìn)特殊晶界形核,采用10%變形量則促進(jìn)生成大角度隨機(jī)晶界。(4)研究了固溶處理,敏化處理和形變熱處理對(duì)316L不銹鋼拉伸性能和腐蝕疲勞性能的影響及其機(jī)理,并探討了特殊晶界對(duì)力學(xué)性能以及力學(xué)和腐蝕綜合性能的影響,結(jié)果表明1100℃固溶處理有利于析出相回溶,試樣拉伸韌窩數(shù)量增多且加深,韌性明顯提高。700℃的敏化處理使晶界析出相增多,晶界變硬變脆,使材料的拉伸應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度明顯提高,韌性降低。升高特殊晶界比例會(huì)降低敏化處理對(duì)316L不銹鋼的強(qiáng)化作用,材料強(qiáng)度降低而韌性提高。但在腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)中,較高的特殊晶界比例(74%)使晶界不能有效阻礙疲勞條帶的傳播,裂紋較早萌生;而較低的特殊晶界比例(55%)造成大角度隨機(jī)晶界過(guò)多且連接通暢,裂紋尖端容易被腐蝕,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率過(guò)快。相比之下,5%形變后1000℃退火45min時(shí)試樣具有66%的特殊晶界比例且晶粒尺寸適中,獲得了最長(zhǎng)的腐蝕疲勞壽命。