低镍铬锰氮201不锈钢管组织与力学性能

设计了一组不同成分的低镍铬锰氮201不锈钢管，通过热轧、退火、冷轧及Gleeble热模拟，观察研究了实验钢在不同状态下的显微组织、力学性能及高温热变形行为的变化规律。结果表明：热轧后201不锈钢管的强度随固溶温度的提高而降低，塑性随固溶温度的提高而增大，实验条件下的最佳固溶温度为1050℃；冷加工变形量的增大能显著提高显微组织中形变马氏体的含量，增大实验钢的强度、硬度和屈强比，降低断后伸长率，且在实验范围内抗拉强度与维氏硬度在数值上呈现近似3倍的关系。热加工过程中201不锈钢管的易裂敏感区间约为750~950℃，最佳热加工区间为1000~1200℃。

镍是201不锈钢管中形成并稳定奥氏体的重要元素，近年来随着世界镍资源的日趋紧张以及镍价的一路高涨，不锈钢企业纷纷开始寻求更低廉的镍替代元素。

现有研究已证明，氮是强烈的奥氏体形成和稳定元素，其形成奥氏体的能力约为镍的30倍；锰稳定奥氏体的能力很强，还能提高氮在钢中的溶解度。利用氮、锰配合代替一部分镍，可以获得低镍的铬锰氮奥氏体不锈钢。杨吉春等通过热压缩实验，发现含有0.4%N的低镍奥氏体不锈钢具有较高的峰值应力和再活化能，不易发生动态再结晶，能够显著提高钢的力学性能。Shilajit等研究了低镍铬锰氮201不锈钢管的表面质量问题，发现Cr2N和Cr3C1.32No.48沿晶界连续析出，诱发晶界微裂纹的产生，热轧时铁素体与奥氏体相界面也容易成为表面裂纹的起源。赵莉萍等研究了稀土元素镧对低镍铬锰氮201不锈钢管耐蚀性的影响，发现钢的耐蚀性随镧含量的增加先增大后减小，耐蚀性最好的低镍铬锰氮201不锈钢管中镧含量为0.0049%。

201不锈钢管是一类典型的低镍铬锰氮不锈钢，其在强度、塑性及一般条件耐蚀性方面可与304不锈钢媲美。美国的200系不锈钢体系标准比较丰富，而我国最新的不锈钢板带材标准中已经不再将AISI201、AISI202相对应的牌号纳入，因此本文参考美标的AISI201不锈钢成分，设计了一组不同成分的低镍铬锰氮奥氏体不锈钢，研究其组织和力学性能。

实验材料与方法

为了改善传统201不锈钢管的耐蚀性和加工性，实验钢在美标AISI201不锈钢管成分体系的基础上降低了碳含量，并添加了一定量的铜。实验钢在50kg真空感应炉内冶炼，得到的铸坯成分经检测如表1所示。

3组实验钢均属于典型的亚稳态奥氏体不锈钢，主要区别在于碳含量不同，冷变形过程中会产生大量的形变诱导马氏体(&'-马氏体），出现加工硬化现象[6癩。利用这一特点，可以通过不同程度的冷变形，获得不同强度等级的不锈钢产品。图1所示为通过Thermo-Calc计算的该成分体系下的相比例图。从图中可以看出，在设计成分范围内，1000~1250℃区间进行热加工不会发生相变，可以保证为单相奥氏体。

铸坯经锻造、热轧、退火、冷轧，分别得到不同状态下的实验材料。对热轧、热轧退火及冷轧后的实验钢，分别加工成拉伸试样和金相试样，进行常规力学性能检测及显微组织观察；在热轧板上加工Gleeble热拉伸试样，进行热拉伸实验，研究实验钢的高温变形行为。

实验结果与分析

组织与力学性能

铸坯经过热轧至4.5mm，取样分别在1050、1080、1100和1120℃固溶处理15min后水冷，其室温力学性能的变化如图2所示。

从图2中看出，随着固溶温度的提高，实验钢的抗拉强度和屈服强度都呈下降趋势，而断后伸长率急剧上升。以屈服强度为例，只有固溶温度小于1080℃时3组实验钢的屈服强度才全部大于300MPa，而且S1的强度要明显高于S2和S3。这是由于S1的碳含量更高，碳是影响不锈钢强度的重要元素，较高的碳含量能显著提高不锈钢的强度。实验

钢的塑性随固溶温度的提高也得到了明显提升，S1和S2的伸长率在1120℃时已经接近70%。值得注意的是，在强度最高时，实验钢也能拥有较好的塑性(>60%)。

AISI201是一种节镍的不锈钢，其潜在的一个应用领域是轨道客车，而目前轨道车辆采用的主流不锈钢产品是AISI301不锈钢。将S1、S2、S3与AISI201、AISI301的力学性能进行对比，如表2所示，可以看出S1、S2、S3的常温力学性能明显优于AISI201和AISI301，在力学性能方面能够胜任替代AISI301的任务。

将热轧实验钢在1050℃固溶处理15min，经喷砂处理后，分别进行10%～50%压下量的冷轧，得到实验钢的加工硬化曲线，如图3所示。从图中可以看出，随着冷变形量的增大，抗拉强度和屈服强度均有较大幅度的提高，变形量达到50%时，抗拉强度较固溶态时提高了1倍，达到1500MPa，屈服强度提高了3倍，达到1400MPa，屈强比从0.46增大到0.93，逐渐趋近于1。表征塑性的断后伸长率随着冷变形量的增大由固溶态的64%急剧减小到6%以下。

实验钢热塑性随温度的变化有所差异：在600~1000℃时，由于发生一定的颈缩，第二相的析出缓慢，因此实验钢的断面收缩率平缓上升，增幅不大；温度大于1000℃之后，由于成分的不同，实验钢的热塑性表现出不同的变化趋势。S1实验钢在1000~1300℃之间的断面收缩率呈现震荡上升的趋势，其中1050℃时断面收缩率显著高于1000℃和1100℃，1250～1300℃之间无明显变化，而1300℃之后断面收缩率又急剧下降，这是因为S1实验钢在1000～1300℃之间处于奥氏体单相区，无相变发生，塑性得以保持良好，而1300℃之后由于高温过烧和相变的发生，导致塑性急速下降。S2实验钢的断面收缩率最大值出现在1150℃，之后热塑性随温度升高迅速恶化，这说明在1000～1150℃区间为S2实验钢的高温塑性区，1150℃之后为高温脆性区。S3实验钢的断面收缩率整体呈现逐渐上升的趋势，1100℃之后热塑性不再有剧烈变化，这表明1300℃之前S3实验201不锈钢管均处于高温塑性区域，原子扩散对应力集中有较强的调节作用，可以经受较大的塑性变形。

根据变形抗力与断面收缩率变化曲线，可以指导实际生产中热加工温度区间的选择，使钢在变形抗力较小时拥有较高的塑性，减少开裂倾向，提高生产质量。有学者针对Al脱氧钢提出了“易裂敏感区间”的概念，即在此区间内钢的强度较低，塑性较差，加工过程中易产生裂纹。易裂敏感区间的确定是将断面收缩率曲线与高温变形抗力曲线的交点向高温方向推50℃，向低温推100℃所形成的温度区间，而两条曲线的交点温度则称为“易裂敏感点”。根据这一研究，分别将3组实验201不锈钢管的高温变形抗力曲线与高温热塑性曲线相交，得到其易裂敏感点分别为800、900和900℃，如图6中A、B、C3点所示，据此实验钢的易裂敏感区间约为750～950℃，最佳热加工区间分别为1000～1200℃。

3结论

1）随着固溶温度的升高，热轧实验钢的强度逐渐提高，断后伸长率逐渐减小，实验条件下最佳的固溶温度为1050℃，此时S1、S2、S3的抗拉强度分别为674、671和667MPa，屈服强度分别为321、313和307MPa，断后伸长率分别为62.2%、63.8%、64.2%；

2)在冷变形过程中，随着变形量的增大，实验钢的强度、硬度提高，塑性降低，当变形量达到50%时，S1、S2、S3的抗拉强度分别为1563、1486和1534MPa，屈服强度分别为1460、1370和1414MPa，维氏硬度分别为514、496、483，断后伸长率分别为5.75%、5.81%、8.69%，屈强比分别为0.93、0.92、0.92，平均抗拉强度与平均维氏硬度的比值是近似3的常数；

3）在冷变形过程中，随着变形量的增大，实验钢中的马氏体含量逐渐增多，并与变形量之间呈“S”型曲线关系；

4)在热加工过程中，S1、S2、S3的易裂敏感区间为750~950℃，稳定高温塑性区为1000~1200℃。