中等軋制變形對304不銹鋼退火孿晶界及晶粒尺寸的影響

張曉宇，鐘 軍，趙 軍，夏培培，郭曉僵

(1.北華航天工業學院 材料工程學院，河北 廊坊 056000；2.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北 廊坊 056000)

304奧氏體不銹鋼屬于低層錯能面心立方結構材料，由于奧氏體組織在一定變形條件下容易誘發馬氏體相變，使得鋼的塑性和韌性發生明顯變化[1-3]。304不銹鋼作為核電站關鍵零部件服役過程面臨著晶間腐蝕，而晶界是影響304不銹鋼晶間腐蝕失效的重要因素之一[4]。

1984年，Watanabe提出了增加某一類具有低∑CSL(coincidence site lattice)重位點陣晶界(也稱特殊晶界)來改善與晶界相關性能的思想[5]，此類思想后來發展為晶界工程。采用晶界工程提高材料耐晶間腐蝕性能的研究已經取得諸多進展，主要適用于具有中低層錯能金屬，增加其退火孿晶晶界∑3和二次退火孿晶界∑9、∑27一類晶界比例，來提高材料抗腐蝕、抗疲勞、抗蠕變性能[6-8]。

晶界工程采用形變熱處理工藝來提高材料的特殊晶界比例，一般可分為兩種[9]，一為中等變形冷軋高溫短時間退火，如對304不銹鋼進行10%～67%軋制后進行1000℃退火5min，低∑CSL晶界比例最高達到62.5%[10]；二是小變形高溫長時間退火，如316L不銹鋼經5%冷軋后，經高溫長時間退火后，特殊晶界比例達到80%以上[11]。

本文針對304不銹鋼中等變形對特殊晶界，如退火孿晶界的影響開展研究，為304不銹鋼在核電領域應用做理論參考。

1 實驗材料及方法

實驗所用為10mm厚304不銹鋼鋼板，化學成分為(質量分數%)：17.50Cr、8.10Ni、0.49Si、0.89Mn、0.047C、0.16Cu、0.028P以及0.0038S。材料首先在1050℃固溶30min，水淬；然后進行15%、20%、25%、30%、35%軋制變形，軋制后試樣進行900℃退火2h。所得試樣進行表面電解拋光，在配有電子背散射衍射(electron backscatter diffraction，EBSD)附件的Hitachi S-3400掃描電鏡上完成晶界特征分布(grain boundary character distribution，GBCD)測定及晶粒尺寸統計。采用Brandon[12]判據進行重位點陣晶界判定。

2 實驗結果分析

2.1 軋制變形量對特殊晶界比例的影響

形變熱處理是提高材料中的退火孿晶晶界比例的主要工藝方法。變形量的大小是其中最重要的影響因素。圖1為∑3晶界比例隨變形量增加的變化規律。

圖1 不同變形量對∑3晶界比例的影響

從圖1可以看出，變形量15%～20%，∑3晶界比例出現小幅度上升，而后隨著變形量增加到30%，∑3晶界比例整體呈下降趨勢。這表明，在此變形范圍內，隨著變形量的增加，不利于不銹鋼中退火孿晶晶界的形成。在30%變形后，變形量增加反而促進了退火孿晶晶界∑3的生成。

圖2為不同變形條件下，一次退火孿晶晶界∑3，二次退火孿晶晶界∑9、∑27及總的CSL晶界比例圖。

圖2 不同變形量對∑CSL晶界比例的影響

從圖2中可以看出，總的CSL晶界比例和∑3晶界比例變化趨勢基本一致。這主要由于∑3晶界比例占總的CSL晶界80%以上。由此可知，CSL晶界中主要以一次退火孿晶晶界為主。二次退火孿晶晶界∑9、∑27隨著變形量增加變化幅度不大，都低于0.05，并且∑9與∑27變化趨勢基本一致。根據Randle[13]提出“∑3再激發模型”，∑3+∑9→∑27，∑27晶界比例更大程度取決于∑9的晶界比例。因此，兩者變化規律基本一致。

∑(9+27)/∑3比率可以表征∑3晶界產生∑9和∑27的能力。圖3為∑(9+27)/∑3比率隨變形量增加變化規律。

圖3 ∑(9+27)/∑3比率隨變形量變化規律

如圖3中所示，20%變形量經900℃退火2h，具有較高的∑(9+27)/∑3比率，達到了0.096。而后增大變形量，∑(9+27)/∑3比率迅速降低。35%量雖然有較高的∑3晶界比例，但∑9、∑27晶界比例卻較低。表明變形量增加不利于二次退火孿晶晶界∑9和∑27的形成。

2.2 軋制變形量對晶粒尺寸的影響

圖4所示為不同變形量熱處理后的平均晶粒尺寸。

圖4 不同變形量對平均晶粒尺寸的影響

從圖4中可以看出，在15%～30%范圍內，隨著變形量的增加，平均晶粒尺寸在減少。合金隨著變形量增加，經熱處理后，基體內再結晶形核點增加，晶粒發生細化。然而，變形量為35%時，平均晶粒尺寸卻在增大，這可能在于此變形條件下，合金具有較高的變形存儲能，經熱處理后，材料發生再結晶并且晶粒長大。

對比變形量為25%和35%，兩者晶粒尺寸相近，但∑3晶界比例卻相差較大。這可能在于再結晶晶粒細化并不利于退火孿晶∑3的形成。反而在再結晶晶粒長大過程中容易產生退火孿晶晶界。依據Kumar[14]提出應變誘導晶界遷移理論，在晶粒長大過程中，大角度晶界遷移會產生退火孿晶晶界。

根據以上討論結果可知，Randle等[13]提出∑3再激發會產生高比例的∑9，∑27。而在35%條件下，雖然具有了高比例的∑3，但并未產生高比例的∑9、∑27。根據方曉英等人研究結果[15]，這取決于∑3晶界的共格與非共格，非共格∑3晶界具有較高的晶界能，可以進行遷移活動，共格∑3晶界能量低，不容易遷移。說明非共格∑3晶界是特殊晶界提高的關鍵因素。

2.3 軋制變形量對微觀組織影響

圖5為不同變形條件下的EBSD圖，圖中灰色細線代表退火孿晶晶界，黑色實線代表一般大角度晶界。黑色區域代表奧氏體，白色區域代表馬氏體，灰色區域為掃描的盲點。

圖5可以看出，晶粒內部存在大量平直共格退火孿晶晶界。隨著變形量的增加，再結晶晶粒增多，晶粒細化，晶粒組織不均勻。變形量為25%時，如圖5c、圖5h基體出現部分馬氏體組織，但所占比例較小，僅為0.012，并不影響晶界組織分布?；w以奧氏體組織為主，經軋制熱處理后出現再結晶細化組織和長大的晶粒組織，這是由于變形不均勻導致的。就特殊晶界而言，在15%和20%變形量試樣中，基體組織中以平直退火孿晶為主，也可以明顯看出彎曲態的非共格孿晶晶界，如圖5a、圖5b箭頭所示。之后的變形試樣中，很難觀察到非共格孿晶晶界。這也解釋了特殊晶界比例在15%和20%試樣中具有較高比例的原因。然而所測試樣中極少觀察到∑9、∑27晶界，從圖2數據中可以看出，主要是這兩類特殊晶界比例較低。

圖5 不同變形條件下900℃退火2h晶界特征分布圖及相圖

3 結論

304不銹鋼經過15%～35%冷軋變形后，經900℃熱處理2h晶界特征分布及晶粒微觀組織變化規律如下。

(1)低∑CSL晶界以∑3退火孿晶晶界為主，二次退火∑9與∑27晶界變化規律保持一致；

(2)當變形量小于30%，隨著變形量增加，基體出現再結晶晶粒，晶粒組織細化，特殊晶界比例逐步降低，不利于二次退火孿晶晶界∑9、∑27的產生；

(3)當變形量為35%時，合金經退火處理后出現再結晶晶粒，晶粒尺寸增大，∑3晶界比例增加，但也不利于∑9、∑27比例生成。

(4)特殊晶界比例較高試樣形成原因可能在于非共格∑3晶界較多。