不銹鋼管抗腐蝕耐高溫及強度高特性分析

  隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們對不銹鋼管抗腐蝕、耐高溫、強度高、表面精美等優(yōu)良特性的認識逐步深入，不銹鋼管產(chǎn)品開始被大量應用于建筑、能源、環(huán)保、石化、城市景觀、交通、醫(yī)療、餐飲等各個領域。不銹鋼管產(chǎn)品的表觀消費量的快速增長，促使國內(nèi)不銹鋼工業(yè)迅速發(fā)展。目前，我國已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大的不銹鋼管生產(chǎn)國和消費國。然而鎳資源的匱乏，已經(jīng)成為制約我國不銹鋼產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的瓶頸。我國2011～2020年的鋼鐵產(chǎn)品發(fā)展綱要中明確指出，發(fā)展低鎳、低成本環(huán)保型不銹鋼管產(chǎn)品是其主要任務之一。因此，從我國國情出發(fā)，開發(fā)節(jié)鎳型不銹鋼已經(jīng)成為重要課題。200系列不銹鋼正好屬于以錳、氮代鎳的節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼。這正好與我國資源分布相適應。因此，從節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本、綜合利用優(yōu)勢資源等方面考慮大力推廣200系列不銹鋼，對我國經(jīng)濟高速發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

  201不銹鋼作為200系列不銹鋼中的一個典型品種，由于具有較好的機械性能，且能夠滿足于污染小或一般腐蝕的條件。適宜在中西部干旱地區(qū)或家庭消費品領域使用。隨著西部經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，201不銹鋼管的應用領域仍會增加。氮作為大自然中一種豐富而且廉價的非金屬合金元素加入到奧氏體不銹鋼管中，不但能達到穩(wěn)定奧氏體組織的目的、而且在力學性能和耐局部腐蝕性能方面有驚人的提高，另外，氮的加入還可以增加鋼由于形變誘發(fā)馬氏體組織形成的阻力，降低導磁系數(shù)等。因此氮合金化的作用越來越受到人們的重視。

 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)技術的進步，高放廢物也隨之大量增加。為了安全有效必須妥善處理高放廢物，有學者提出將高危高放廢物高溫熔融后澆注到容器中密封然后做填埋處理。310S不銹鋼管具有良好的加工性能和力學性能，是接收容器的首選材料，但310S不銹鋼管在高溫下僅依靠固溶強化，強度不足。為了提高310S不銹鋼管高溫力學性能，本研究提出在310S不銹鋼管中的基礎上添加鈮元素來提高其高溫強度的思路。為此，本文首先利用Thermo-Calc熱力學軟件設計了一系列含鈮新型奧氏體耐熱鋼，對不同鈮含量的奧氏體耐熱鋼的顯微組織、力學性能以及熱加工性能進行了系統(tǒng)研究。論文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：

 1. 利用熱力學計算軟件Thermo-Calc，設計了一系列不同鈮含量的新型奧氏體耐熱鋼。在此基礎上，通過真空感應爐和氣體保護澆注制備了鈮含量為0、0.036%、0.12%、0 .32%和0.54%的新型奧氏體耐熱鋼，通過金相顯微鏡和掃描電鏡對鍛后組織觀察表明熱力學計算和實驗結(jié)果吻合良好。

 2. 對不同鈮含量新型奧氏體耐熱鋼進行固溶處理后，測試了不同鈮含量新型奧氏體耐熱鋼的室溫和高溫力學性能。結(jié)果表明：隨著Nb含量增加材料室溫強度變化不大，但高溫強度逐漸提高，達到了通過添加Nb元素來提高材料高溫強度的目標。同時，Nb的添加會略微降低材料的室溫沖擊韌性。

 3. 采用Gleeble熱模擬壓縮實驗，研究不同鈮含量奧氏體耐熱鋼的在900~1200℃溫度范圍內(nèi)和應變速率下的熱變形特征。根據(jù)雙曲正弦模型建立參數(shù)與峰值應力的關系，發(fā)現(xiàn)隨著Z值的增加，材料的峰值應力也增加，同時材料的動態(tài)再結(jié)晶也越難發(fā)生。利用Laasraoui和jonas模型建立高溫應力-應變模型，發(fā)現(xiàn)在相同應變速率和相同溫度條件下，材料的峰值應力、穩(wěn)態(tài)應力以及飽和應力隨著鈮含量升高而提高；同時鈮會抑制動態(tài)再結(jié)晶，提高材料熱變形激活能。結(jié)合動態(tài)材料模型和連續(xù)失穩(wěn)判據(jù)，繪制了不同鈮含量的奧氏體耐熱鋼的熱加工圖。

 4. 以0.32%鈮材料為載體，研究了材料中鈮(碳,氮)對動態(tài)再結(jié)晶抑制機制。使用ECCI觀察熱壓縮變形試樣組織，發(fā)現(xiàn)鈮(碳,氮)析出相有效釘扎了材料在熱變形中位錯的運動。