鐵素體鋼顯微組織的控制

鐵素體鋼Y2O3的溶解/析出

在氧化物顆粒（Y₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和MgAl₂O₄）中，Y₂O₃是最有效的強化相，由于其具有溶解/ 析出機制。在機械合金化過程中，Y₂O₃ 顆粒發(fā)生溶解，并在熱擠壓時（1000℃）以Y₂Ti₂O復雜氧化物（2nm）的形式析出并且析出的氧化物顆粒的粒徑小于添加的Y₂O₃的粒徑。這對增強相的粒徑、晶粒度、馬氏體相變和ODS鐵素體鋼的高溫蠕變性能都有至關(guān)重要的作用。Ti的添加有助于Y₂O₃的溶解，這不僅有利于獲得更加細小的氧化物增強相，而且能使增強相在基體中的分布更加均勻。氧化物的粒徑由不添加Ti 前的10～30nm降低到添加Ti后的1～10nm。然而，Ti含量過高會引起冷變形的困難，降低了材料的冷加工性。

為了平衡強度和可加工性， Ti的濃度確定為0.2 %。當O含量較高時，形成的Y₂Ti₂O復雜氧化物為立方Y(jié)₂ TiO₇ ( Y/O = 1∶1) 是穩(wěn)定的。當O含量不足時，形成的是六方結(jié)構(gòu)的Y₂TiO₅ ( Y/ Ti = 2∶1) 。Y₂O₃2TiO₂納米復雜氧化物顆粒在析出的同時還與鐵素體基體保持共格，氧化物和基體之間的晶格錯配度為0.5% 。

鐵素體鋼殘余α2Fe 的形成

MA 粉末是由超細α2Fe 晶粒構(gòu)成的。在熱擠壓過程中，只有部分α2Fe 能轉(zhuǎn)變成γ2Fe ，形成了一種特別的由γ2Fe 和拉長晶粒構(gòu)成的雙相組織。拉長的晶粒為熱擠壓時沒有轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe 的α2Fe 晶粒。將該拉長的鐵素體(α)稱為殘余α2Fe ，以區(qū)別于在最終熱處理中通過γ→α擴散轉(zhuǎn)變形成的鐵素體(α) 。殘余α2Fe 的形成可通過Ti含量和過剩O 濃度( EX. O) 來控制。EX. O定義為總的氧濃度(OTotal) 減去以Y₂O₃形式存在的氧(OY2O3) ：EX. O = [OTotal ] - [OY₂O₃ ]過剩O 意味著O 與Y結(jié)合并形成Y2Ti₂O復雜氧化物顆粒。9Cr2ODS 鐵素體鋼的高溫強度很大程度上取決于EX. O。EX. O的控制是通過調(diào)節(jié)Fe2Y和Fe₂O₃粉末的比例來實現(xiàn)。用Fe2Y取代部分Y₂O₃ 粉末能降低EX.O，而添加Fe₂O₃能增加EX. O 。

傳統(tǒng)的鐵素體/馬氏體鋼的工作溫度最高只能達到550～600 ℃，氧化物彌散強化（OxideDispersion St rengthened ，ODS） 鐵素體鋼能將工作溫度提高到700 ℃。穩(wěn)定的納米氧化物顆粒賦予了材料優(yōu)異的高溫蠕變性能。ODS 鐵素體鋼具有BCC 晶體結(jié)構(gòu)，在200dpa 的中子輻照條件下仍有非常低的輻照腫脹率。此外，ODS 鐵素體鋼還具有優(yōu)異的抗氧化和抗腐蝕性。因此，ODS 鐵素體鋼可用于快反應堆和國際第Ⅳ代高級反應堆中的包層材料，第一壁材料及高溫結(jié)構(gòu)件。ODS 鐵素體鋼的開發(fā)對提高反應堆的熱效率、減少環(huán)境污染、保證反應堆的安全性和長壽命運行具有重要意義。

合金元素( Fe 、Cr 、Ti 、W、Ta 、C) 滿足低活化的要求。Cr含量的確定要綜合考慮延性、斷裂韌性和耐腐蝕性。W添加的目的是通過固溶強化提高高溫強度。同時添加Ti和Y₂O₃有利于獲得納米尺度的氧化物顆粒，這大大提高了蠕變性能。ODS鐵素體鋼的制備用得最多的是熱擠壓工藝：首先在高純Ar氣氛中利用機械合金化（MA）將Y₂O₃顆粒均勻分散在基體中，然后將合金粉末密閉在低碳鋼管中并在1150℃進行熱擠壓。熱擠壓后的母管進行多道次的冷軋，在每道次冷軋之間進行中間熱處理，最終熱處理后得到薄壁的包層管。

ODS 鐵素體鋼制備的關(guān)鍵有兩個：一是獲得均勻分布的納米氧化物顆粒和適量的殘余α2Fe ，從而提高蠕變性能；二是熱擠壓工藝制備薄壁包層管的工藝及改變拉長晶粒形貌以消除材料的各向異性。重點分析Y₂O₃ 顆粒的溶解/ 析出、殘余α2Fe 的形成、薄壁包層管制備工程中的中間熱處理和改變拉長晶粒形貌的方法 。

含鉻大于14%的低碳鉻不銹鋼，含鉻大于27%的任何含碳量的鉻不銹鋼，以及在上述成分基礎(chǔ)上再添加有鉬、鈦、鈮、硅、鋁、、鎢、釩等元素的不銹鋼，化學成分中形成鐵素體的元素占絕對優(yōu)勢，基體組織為鐵素。這類鋼在淬火（固溶）狀態(tài)下的組織為鐵素體，退火及時效狀態(tài)的組織中則可見到少量碳化物及金屬間化合物。

屬于這一類的有Cr_l7、Cr₁₇Mo₂Ti、Cr₂₅，Cr₂₅Mo₃Ti、Cr₂₈等 。

用于反應堆的薄壁包層管的直徑為8.5±0. 4mm ，厚0. 5 ±0. 03mm。薄壁包層管的制備有兩個難點：一是納米氧化物顆粒的存在及大變形量使材料硬化，不通過中間熱處理難以進行軋制；二是軋制后得到的針狀拉長晶粒形貌使材料的周向蠕變性能下降、延性變差，所以改變包層管的各向異性對提高內(nèi)蠕變斷裂強度至關(guān)重要。

鐵素體鋼中間熱處理

中間熱處理的目的是通過回復軟化來降低硬度，以便于后續(xù)冷軋。中間熱處理是軋制過程的關(guān)鍵，它不僅影響到冷軋，而且對最終的顯微組織有重要的影響。

1.一步熱處理　一步熱處理工藝為：1250 ℃ ×30min →空冷。在室溫生成鐵素體相而不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此能降低硬度。母管的晶粒細小，硬度是348Hv。第一次冷軋后硬度升高到395Hv ，通過一步熱處理可將硬度降低到母管的水平。二次冷軋后的中間熱處理將硬度降得比母管還要低，這是因為應變能的積累容易導致再結(jié)晶的發(fā)生?？梢?，高溫熱處理容易導致中間熱處理過程中出現(xiàn)部分再結(jié)晶。雖然以50 %的壓下量冷軋時硬度能限制在350Hv ，但是最終熱處理后仍保留了部分拉長晶粒，表明再結(jié)晶不能完全進行。

一步熱處理在溫度低于1100 ℃時不能將硬度降低到400Hv 以下，但是如果溫度高于1150 ℃，雖然硬度能降低到400Hv 以下，但是容易在中間熱處理時發(fā)生部分再結(jié)晶，不利于最終熱處理實現(xiàn)完全再結(jié)晶。

2.兩步熱處理　由一步熱處理可得出，在中間熱處理過程中一旦發(fā)生再結(jié)晶，最終的熱處理就不能得到再結(jié)晶組織。兩步熱處理的目的是在中間熱處理中只通過回復軟化來降低硬度以便于后續(xù)冷軋，而不發(fā)生再結(jié)晶，保持了{111}〈110〉冷軋織構(gòu)。這確保了最終熱處理獲得理想的再結(jié)晶組織。兩步熱處理的工藝為：1050 ℃×30min →1250 ℃×30min →空冷。

通常，二步熱處理的溫度選為1200 ℃，使硬度降低到足以進行冷軋。在中間熱處理的過程中回復晶粒結(jié)構(gòu)保持下來，儲存了適當?shù)哪芰?，導致在最終的熱處理過程中均勻形核和再結(jié)晶長大。這種特別的熱處理使得可以穩(wěn)定地制備薄壁包層管。

鐵素體鋼晶粒形貌控制

冷軋使得包層管沿軋制方向形成拉長的晶粒，晶粒直徑為500nm ，長/ 徑比為10220。這使得軸向和周向力學性能出現(xiàn)各向異性，引起延性的下降，不利于精密的薄壁包層管的成形。此外，細小的針狀晶粒容易發(fā)生晶界滑移，降低了高溫蠕變性能。因此，獲得等軸晶粒是開發(fā)高性能ODS 鐵素體鋼包層管的重要環(huán)節(jié)，改變晶粒形貌是通過最終熱處理來實現(xiàn)的，主要有再結(jié)晶熱處理，馬氏體相變（γ→α′） 和α→γ相變?nèi)N方法 。

ODS 鐵素體鋼雖然在制備工藝方面取得了較大的進展，但是結(jié)合該材料嚴酷的使用環(huán)境及安全性考慮，還有很多問題急需研究。離子輻照對ODS鐵素體鋼的力學性能、尺寸穩(wěn)定性、顯微組織的影響及其疲勞性能還有待進一步研究，并建立數(shù)據(jù)庫以便于材料的設(shè)計。對于復雜的包層結(jié)構(gòu)，高性能的焊接是安全運行的保證，焊接接頭的設(shè)計及其輻照性能、蠕變性能也有待研究。液相金屬塊反應堆中使用液Pb合金作為冷卻劑后，雖然提高了熱交換效率，但是對材料抗腐蝕性提出了更高的要求，所以O(shè)DS鐵素體鋼在高溫液態(tài)金屬中的腐蝕也是一個很重要的方面。此外，如何制備大型的構(gòu)件以擴展ODS鐵素體鋼的應用領(lǐng)域仍是一個難題 。2100433B

奧氏體－鐵素體鋼

這類鋼因擴大γ區(qū)和穩(wěn)定奧氏體元素的作用程度，不足以使鋼在常溫或很高的溫度下具有純奧氏體組織，因此為奧氏體－鐵素體復相狀態(tài)，其鐵素體量也因成分及加熱溫度不同而可在較大的范圍內(nèi)變化。屬于這一類的不銹鋼很多，如低碳的18－8鉻鎳鋼，加鈦、鈮、鉬的18－8鉻鎳鋼，特別是在鑄鋼的組織中均可見到鐵素體，此外含鉻大于14～15%而碳低于0．2%的鉻錳不銹鋼（如Cr17Mnll），以及現(xiàn)研究的和已獲得應用的大多數(shù)鉻錳氮不銹鋼等。與純奧氏體不銹鋼比較，這類鋼的優(yōu)點很多，如屈服強度較高，抗晶間腐蝕的能力較高，應力腐蝕的敏感性低，焊接時產(chǎn)生熱裂紋的傾向小，鑄造流動性好等等。缺點是壓力加工性能較差，點腐蝕傾向較大，易產(chǎn)生c相脆性，在強磁場作用下表現(xiàn)出弱磁性等。所有這些優(yōu)點和缺點均來源于組織中的鐵素體。

雙相不銹鋼也稱奧氏體—鐵素體不銹鋼，這類鋼種綜合了鐵素體鋼和奧氏體鋼的很多有意特性。由于鉻和氮的含量很高，而且在通常情況下鉬的含量也很高，雙相不銹鋼具有優(yōu)良的抗點觸和抗均勻腐蝕的性能。而雙相顯微結(jié)構(gòu)則有助于雙相不銹鋼的高強度和高抗應力腐蝕破裂性能。另外，雙相不銹鋼還具有優(yōu)良的可焊性能。

主要品種：卷材、中厚板、棒材

鋼種牌號

鋼種牌號/名稱

EN ASTM UNS

化學成分， %

碳最大 氮 鉻 鎳 鉬

1.4362 S32304 SAF 2304R

1.4410 S32750 SAF 2507R

1.4462 S32205 NAS329J3L

1.4162 S32101 LDX2101

- A789 S31500

0.03 0.10 23 4.8 0.3

0.03 0.27 25 7 4

0.03 0.17 22 5.7 3.1

0.04 0.22 21.5 1.5 0.3

0.03 0.10 19 5.25 3.0

機械性能

牌號 屈服強度 抗拉強度 延展率

MPa MPa %

牌號 屈服強度 抗拉強度 延展率 最大硬度

MPa MPa % Brielle

1.4362 420 650 20

1.4410 550 750 15

1.4462 480 700 20

1.4162 — — —

S31500 460 680 20

S32304 400 600 25 290

S32750 550 795 15 310

S32205 450 620 25 293

S32101 530 750 30 —

S31500 550 600 25 2902100433B

l 高強度

l 一般具有很高的抗腐蝕性能

l 優(yōu)良的抗沖刷腐蝕性

l 優(yōu)良的耐疲勞性能

l 很高的能量吸收性能

l 優(yōu)良的可焊性能