發(fā)布時(shí)間：2017-10-07 17:04

  本文關(guān)鍵詞：含錫鐵素體不銹鋼的制備工藝及組織性能研究

  更多相關(guān)文章： 錫 鐵素體不銹鋼 力學(xué)性能 點(diǎn)蝕 晶間腐蝕 鈍化膜

【摘要】：含錫鐵素體不銹鋼具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕性能和較好的加工成型性能,但要實(shí)現(xiàn)含錫鐵素體不銹鋼的工業(yè)化大生產(chǎn),還須解決錫在鋼中容易偏析和造成加工性能惡化的問題,同時(shí)也需要對(duì)含錫鐵素體不銹鋼的析出行為、耐腐蝕性能等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和理論研究。研究含錫鐵素體不銹鋼的冶金行為、力學(xué)性能(尤其是高溫力學(xué)性能)可以為冶煉過程錫的合金化工藝、熱加工成型過程的控制和應(yīng)用提供指導(dǎo)；對(duì)其耐腐蝕性能、鈍化膜結(jié)構(gòu)、析出行為等進(jìn)行深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究,對(duì)于新一代鉻鎳資源節(jié)約型高品質(zhì)不銹鋼板帶系列產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。本論文在對(duì)現(xiàn)場工藝和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,采用電阻爐和氬氣保護(hù)下的感應(yīng)爐制備Fe-Cr-Sn系含錫鐵素體不銹鋼,對(duì)其冶金行為、微觀組織進(jìn)行分析,并對(duì)含錫鐵素體不銹鋼力學(xué)性能、耐腐蝕性能進(jìn)行研究,得到了以下主要研究結(jié)果。在含錫鐵素體不銹鋼冶煉過程中,錫的收得率為80-97%,含錫鐵素體不銹鋼的冶煉難度不大。鋼中典型夾雜物為氧化物和硫化物,同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)部分含錫夾雜物。含錫夾雜物呈四邊形等不規(guī)則形狀,尺寸在1μm左右。MnS熔點(diǎn)接近煉鋼溫度,在煉鋼溫度下形成的MnS可能以液態(tài)形式存在,與Al2O3等高熔點(diǎn)夾雜物相比,MnS的形核析出較晚。在不銹鋼的凝固過程中,錫容易以MnS為形核質(zhì)點(diǎn),在其周圍析出,形成錫包裹的MnS類夾雜物。錫可固溶于不銹鋼基體中,而在一定溫度下保溫和冷卻處理時(shí),已固溶于基體的錫可重新從α相中再次析出。非平衡狀態(tài)下的液相結(jié)晶會(huì)造成錫元素在晶界偏聚和表面富集,與晶內(nèi)產(chǎn)生較大的濃度差。當(dāng)其含量超出它在不銹鋼中溶解度時(shí),會(huì)以共晶化合物的熔融態(tài)存在于晶界,弱化晶問結(jié)合力,破壞晶界連續(xù)性,導(dǎo)致不銹鋼熱塑性的降低。本研究中當(dāng)鐵素體不銹鋼中錫含量0.29wt%時(shí),可從掃描電鏡分析結(jié)果中看出錫的富集現(xiàn)象,從而證實(shí)了錫在晶界的析出�；谖⒂^偏析模型的計(jì)算結(jié)果,Sn的偏析比雖不如P、S嚴(yán)重,但Sn的凝固偏析比要大于其它元素。并且隨著固相率的增加,Sn的偏析比逐漸增大,從初始的1.0增加到2.6, Si、Mn在凝固末期偏析比增至1.4左右,Cr的偏析比低于1.2。凝固初始相為鐵素體BCC相,當(dāng)碳含量超過0.2wt%時(shí),凝固過程會(huì)出現(xiàn)奧氏體FCC與BCC的混合相,隨著溫度降低,還會(huì)析出碳化物和Sigma相。隨著C含量的增加,低碳鋼在凝固前沿固相由鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變,各溶質(zhì)的偏析比發(fā)生較大變化,P、S、Sn等的偏析程度大幅增加。微觀偏析理論也可解釋在第三類脆性溫度區(qū)間的塑性凹槽現(xiàn)象。含錫鐵素體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度較430不銹鋼略有增加,抗拉強(qiáng)度最大值為450 MPa,比未添加Sn的鋼種高20 MPa左右,延伸率變化不大。根據(jù)固溶強(qiáng)化機(jī)理,Sn原子融入鐵素體不銹鋼基體中造成晶格畸變,增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,使滑移難以進(jìn)行,從而使材料強(qiáng)度增加,起到固溶強(qiáng)化作用,使不銹鋼固溶體的抗拉強(qiáng)度有所提高。當(dāng)溫度升高時(shí),原子振動(dòng)幅度增加,點(diǎn)陣常數(shù)加大,Sn原子引起的畸變降低,固溶強(qiáng)化作用下降,因此溫度超過800℃后,試驗(yàn)鋼與430不銹鋼的抗拉強(qiáng)度基本相同。含錫鐵素體不銹鋼在400-800℃時(shí)的拉伸斷口存在大量韌窩,在此溫度區(qū)間鋼的塑性較好,拉伸時(shí)發(fā)生塑性斷裂。錫對(duì)鐵素體不銹鋼n值沒有太大影響,其基本保持在0.23左右。而隨著鋼中錫含量的增加,r值增幅不明顯,但△r值隨著錫含量的增加而增加,不銹鋼在深沖成型時(shí)容易產(chǎn)生制耳現(xiàn)象。不銹鋼隨著變形速率的增加,晶界強(qiáng)度比晶內(nèi)強(qiáng)度增加得快,會(huì)導(dǎo)致在高溫變形過程中斷裂類型的不同。含錫鐵素體不銹鋼在800℃、應(yīng)變速率0.002/s的高溫拉伸過程中,斷口呈現(xiàn)沿晶脆性斷裂;當(dāng)應(yīng)變速率增加至0.02/s時(shí),斷口以塑性斷口為主,呈現(xiàn)穿晶斷裂；在0.2/s的應(yīng)變速率下,斷口同樣呈現(xiàn)穿晶斷裂。證實(shí)了高應(yīng)變速率將改變等強(qiáng)溫度,同時(shí)也改變了鐵素體不銹鋼的高溫?cái)嗔逊绞�。含錫鐵素體不銹鋼耐均勻腐蝕實(shí)驗(yàn)在40wt%H2SO4中進(jìn)行,其腐蝕量隨時(shí)間呈線性變化,其腐蝕速度是均勻的。含錫鐵素體不銹鋼的耐均勻腐蝕性能得到了改善,Sn含量為0.38wt%時(shí),鐵素體不銹鋼的腐蝕速率為0.3130 g·cm-2·h-1,腐蝕速率最低。從動(dòng)電位陽極極化曲線和電化學(xué)阻抗法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,加錫后鐵素體不銹鋼的點(diǎn)蝕電位上升,在Sn含量為0.27wt%時(shí),其點(diǎn)蝕電位達(dá)到最大值,耐點(diǎn)蝕性能最好。隨著Cl-濃度的增加,不銹鋼耐點(diǎn)腐蝕性能顯著降低,極化電阻也顯著降低；在酸性環(huán)境中,隨著H+濃度的增加,耐點(diǎn)腐蝕性能顯著降低,在堿性環(huán)境中,點(diǎn)蝕電位較高,耐點(diǎn)蝕性能較好；隨著試驗(yàn)溫度的增加,不銹鋼耐點(diǎn)腐蝕性能顯著降低,極化電阻顯著降低；在錫含量為0.18wt%時(shí),鐵素體不銹鋼的再活化率最低,耐晶間腐蝕性能最優(yōu),隨著錫含量的進(jìn)一步增加,其耐晶間腐蝕性能下降。XPS分析含錫鐵素體不銹鋼表面鈍化膜層,觀測到Fe2p, Cr2p, Ols, Cls和Sn3d的譜線。對(duì)鈍化膜表層進(jìn)行窄區(qū)掃描后,發(fā)現(xiàn)外層鈍化膜以CrOOH, Cr(OH)3, Fe(OH)3等氫氧型化合物或羥基化合物為主,內(nèi)層主要由Cr2O3, CrO3, FeO, Fe2O3和Fe3O4組成,同時(shí)還有少量CrO42-, Fe2+, Fe3+。隨著濺射深度增加,開始有金屬Cr和Fe出現(xiàn)。Sn在外層鈍化膜中主要以SnO2為主,Sn存在膜內(nèi)層,保持膜的穩(wěn)定性。鈍化膜表層以羥基氧化物為主,羥基的存在說明金屬元素有可能以結(jié)合水的形式存在于鈍化膜表層,提高膜的再鈍化能力。當(dāng)外層鈍化膜遭到破壞,金屬離子從內(nèi)層偏移到表面并與周圍的結(jié)合水形成羥基化合物,阻止金屬的繼續(xù)破壞和溶解。當(dāng)內(nèi)層氧化物繼續(xù)遭到破壞,在金屬氧化物和金屬界面富集的錫元素能形成穩(wěn)定的氧化層,有利于提高膜的穩(wěn)定性,阻止膜的破壞和點(diǎn)蝕的發(fā)生。
【關(guān)鍵詞】：錫 鐵素體不銹鋼 力學(xué)性能 點(diǎn)蝕 晶間腐蝕 鈍化膜
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TF764.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-17
• 1.1 課題研究背景13-14
• 1.2 課題研究的目的和研究內(nèi)容14-17
• 1.2.1 課題研究目的14
• 1.2.2 課題研究內(nèi)容14-17
• 第2章 文獻(xiàn)綜述17-41
• 2.1 鐵素體不銹鋼簡介17-23
• 2.1.1 鐵素體不銹鋼特點(diǎn)17
• 2.1.2 鐵素體不銹鋼發(fā)展現(xiàn)狀17-18
• 2.1.3 非金屬夾雜物對(duì)鐵素體不銹鋼性能的影響18-19
• 2.1.4 合金元素在鐵素體不銹鋼中的作用19-23
• 2.2 含錫不銹鋼的研究現(xiàn)狀及存在的問題23-27
• 2.2.1 含錫不銹鋼國內(nèi)外研究現(xiàn)狀23-26
• 2.2.2 含錫不銹鋼研究中存在的問題26-27
• 2.3 含錫鋼的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)27-31
• 2.3.1 錫的物理化學(xué)性質(zhì)27-28
• 2.3.2 錫在不銹鋼中的溶解度行為研究28-30
• 2.3.3 錫在鋼中偏析理論模型研究30
• 2.3.4 錫在不銹鋼凝固過程中的行為研究30-31
• 2.4 鐵素體不銹鋼力學(xué)性能研究31-33
• 2.4.1 鐵素體不銹鋼力學(xué)性能概述31
• 2.4.2 加工硬化指數(shù)(n)31-32
• 2.4.3 塑性應(yīng)變比(r)32
• 2.4.4 杯突值32-33
• 2.5 鐵素體不銹鋼耐腐蝕性能研究33-38
• 2.5.1 鐵素體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能研究33-36
• 2.5.2 鐵素體不銹鋼耐晶間腐蝕性能研究36-38
• 2.6 文獻(xiàn)評(píng)述38-41
• 第3章 含錫鐵素體不銹鋼的冶煉和凝固偏析行為研究41-75
• 3.1 含錫鐵素體不銹鋼的冶金行為研究41-58
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料41-42
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)材料加入量的理論計(jì)算42-44
• 3.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置44
• 3.1.4 實(shí)驗(yàn)步驟44-45
• 3.1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論45-58
• 3.2 含錫鐵素體不銹鋼的偏析行為研究58-64
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)方法58-59
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論59-64
• 3.3 含錫不銹鋼溶質(zhì)偏析模型研究64-72
• 3.3.1 微觀偏析方程64-65
• 3.3.2 溫度計(jì)算方法65
• 3.3.3 凝固模型計(jì)算方法65-66
• 3.3.4 凝固過程平衡固相預(yù)測66-67
• 3.3.5 結(jié)果及討論67-72
• 3.4 本章小結(jié)72-75
• 第4章 含錫鐵素體不銹鋼力學(xué)性能研究75-105
• 4.1 實(shí)驗(yàn)材料制備與分析75-80
• 4.1.1 真空感應(yīng)爐熔煉75-78
• 4.1.2 鑄錠表面質(zhì)量及冒口分析78-79
• 4.1.3 含錫鐵素體不銹鋼的軋制工藝79
• 4.1.4 試樣的顯微組織79-80
• 4.2 含錫不銹鋼室溫拉伸及成形性能研究80-89
• 4.2.1 再結(jié)晶退火對(duì)微觀組織及性能的影響80-82
• 4.2.2 室溫拉伸性能的實(shí)驗(yàn)研究82-85
• 4.2.3 應(yīng)變速率對(duì)含錫鐵素體不銹鋼力學(xué)性能的影響研究85-87
• 4.2.4 成形性能實(shí)驗(yàn)研究87-88
• 4.2.5 杯突性能實(shí)驗(yàn)研究88-89
• 4.3 含錫不銹鋼的高溫力學(xué)性能研究89-103
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)高溫力學(xué)性能的影響研究89-93
• 4.3.2 錫含量對(duì)高溫力學(xué)性能的影響研究93-98
• 4.3.3 應(yīng)變速率對(duì)不銹鋼高溫力學(xué)性能的影響研究98-103
• 4.4 本章小結(jié)103-105
• 第5章 含錫鐵素體不銹鋼耐腐蝕性能研究105-135
• 5.1 耐均勻腐蝕性能實(shí)驗(yàn)研究105-109
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)研究方案105-107
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論107-109
• 5.2 耐點(diǎn)腐蝕性能研究109-124
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)方案109-113
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論113-124
• 5.3 耐晶間腐蝕性能的實(shí)驗(yàn)研究124-129
• 5.3.1 浸泡法測晶間腐蝕性能124-125
• 5.3.2 動(dòng)電位再活化測定晶間腐蝕性能125-129
• 5.4 含錫鐵素體不銹鋼鈍化膜結(jié)構(gòu)研究129-132
• 5.4.1 鈍化膜的制取實(shí)驗(yàn)條件129
• 5.4.2 鈍化膜的制取過程129
• 5.4.3 XPS表面分析過程129
• 5.4.4 鈍化膜XPS分析結(jié)果129-132
• 5.5 本章小結(jié)132-135
• 第6章 結(jié)論135-137
• 參考文獻(xiàn)137-145
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論著、獲獎(jiǎng)情況及發(fā)明專利145-147
• 致謝147

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：989019