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等径角挤压法（ECAP）制备块体超细晶奥氏体不锈钢的工艺及性能

作　者: 陈国星
导　师: 高岩
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 304不锈钢等径角挤压晶粒细化强度耐腐蚀性能
分类号: TG376
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

不锈钢材料以其优异的耐腐蚀性能和较高的力学性能成为民用和军事工业领域的重要工程材料。随着现代化工、家电、医疗器械及军事工业的进一步发展,对不锈钢的使用性能也提出了更高的要求。因此,开发强度更高、耐蚀性能更优的新型不锈钢成为不锈钢材料研究和发展的目标。等径角挤压(Equal-Channel Angular Pressing,简称ECAP)技术作为细化晶粒尺寸的一种有效方法,特别是在获得块体细晶材料方面,被认为是目前最具有工业化应用前景的技术方法之一。目前,国内外材料科学者对纯铜、铝合金、镁合金、钛合金、工业纯铁等变形抗力低、成形性能好的金属材料的ECAP工艺和性能有大量的研究,而对变形抗力高、加工硬化显著的金属材料(如不锈钢)的ECAP工艺则研究相对较少。本文对ECAP法挤压304奥氏体不锈钢的工艺及挤压后不锈钢的性能进行了探讨研究。主要工作及结论如下:探索出一套ECAP法制备超细晶304奥氏体不锈钢的挤压工艺。首先采用BC路径对304奥氏体不锈钢在室温下进行挤压,并对每道次挤压后的试样进行退火处理,以消除加工硬化和形变诱发马氏体。在此基础上改进模具,设计制作了模具加热装置,采用300~500℃的温挤压,顺利完成了8道次挤压。对比分析了304奥氏体不锈钢在固溶处理原始样品及经1~8道次ECAP挤压样品的金相组织,发现ECAP使材料组织得到了细化,原始的均匀等轴晶在剧烈的剪切作用下已发生显著变化,等轴晶发生破碎,晶界模糊,晶粒得到了细化,晶内出现大量滑移带,晶粒被拉长成带状方向的织构。随着挤压道次的增加,组织变得更加均匀,但细化程度逐渐减弱。对比分析固溶处理原始样品和ECAP挤压样品的XRD图谱,发现挤压过程中出现了沿(111)面的组织织构;晶粒细化和挤压变形应变共同导致衍射峰位变宽;变形过程中晶界能增加、变形储能升高,相变驱动力增加,产生了形变诱发马氏体。在ECAP挤压过程中,随着挤压道次的增加,304不锈钢的屈服强度、抗拉强度明显改善,屈强比也有了明显的提高。其中以挤压一道次后屈服强度、抗拉强度和屈强比的提高最为明显。屈服强度由原始样品的300MPa提高到1040MPa,提高幅度达到247%;抗拉强度由690MPa提高到1140MPa,提高幅度达65%;屈强比由原来的0.43提高到0.91。继续挤压发现这三项指标的提高趋势逐渐减缓。同时,304不锈钢的断面收缩率、延伸率的塑性指标则明显下降,这两项指标以挤压第一道次后下降幅度最大,延伸率由固溶状态的92.78%下降到第一道次的28.33%,断面收缩率由70.33%下降到57.43%。随着ECAP的继续进行,延伸率和断面收缩率基本上趋于稳定。经过第一道次挤压,奥氏体不锈钢的硬度值由固溶状态的187HV提升到335HV,提高幅度达79%。第二道次硬度值较第一道次略有提高,达到374HV。随着挤压道次增加,样品硬度趋于稳定在400HV左右。ECAP挤压后不锈钢的硬度HV和抗拉强度σb之间存在着一定的关系,HV/σb≈0.3。在探索恢复塑性保持强度的退火处理工艺过程中,发现在200~300℃退火硬度出现了上升,随着退火温度进一步上升,硬度开始回落,600℃时硬度为424HV,接近退火前的水平,退火温度超过600℃后硬度开始出现明显下降。因此改善ECAP后材料的塑性同时又保持其强度的热处理工艺应为500～550℃保温10分钟,在此条件下退火可以改善不锈钢的塑性,同时不降低材料的强度,实现改善材料综合性能的目的。阳极极化曲线测试分析表明,同原始固溶态的未挤压样品比较,挤压后样品的开路电位都是增加的,腐蚀电流密度都是减小的,极化电阻都是增加的,表现出耐蚀性增强的规律。观察阳极极化后样品的SEM形貌可以看出:0道次样品表面较第2、4和8道次的腐蚀情况严重,其表面形貌中出现了明显的腐蚀坑,而第2、4和8道次样品的表面腐蚀均匀,没有明显的腐蚀坑,挤压后样品的耐蚀性能明显改善,这与极化曲线分析的结果是吻合的。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-24
  1.1 研究背景  13-15
  1.2 等径角挤压法的研究概况  15-20
    1.2.1 等径角挤压法原理  16-17
    1.2.2 模具参数  17
    1.2.3 挤压路径  17-19
    1.2.4 挤压温度的影响  19
    1.2.5 挤压速度的影响  19-20
    1.2.6 摩擦因素对变形的影响  20
  1.3 超细晶不锈钢材料耐蚀性能研究现状  20-22
  1.4 本课题的研究目的及内容  22-24
    1.4.1 研究目的  22
    1.4.2 课题研究的主要内容  22-24
第二章实验内容和实验方法  24-38
  2.1 实验材料  24
  2.2 实验方案  24-25
  2.3 挤压试样的准备  25-26
  2.4 ECAP 实验装置  26-31
    2.4.1 ECAP 用冷挤压模具及设备  26-27
    2.4.2 ECAP 温挤压模具及设备  27-31
  2.5 挤压实验过程  31-32
  2.6 性能测试  32-38
    2.6.1 X 射线衍射结构分析  32
    2.6.2 显微硬度的测定  32-33
    2.6.3 力学性能测试  33-35
    2.6.4 金相显微组织观察  35
    2.6.5 耐腐蚀性能测试  35-36
    2.6.6 表面形貌观察  36-37
    2.6.7 其它实验设备  37-38
第三章 ECAP 挤压不锈钢的显微组织和结构  38-52
  3.1 原始材料的固溶处理及显微组织  38
  3.2 不锈钢1~8 道次的挤压流程  38-40
  3.3 ECAP 挤压1~8 道次后不锈钢的显微组织  40-47
  3.4 ECAP 挤压1~8 道次不锈钢的XRD 结构分析  47-50
  3.5 晶粒细化机理分析  50-51
  3.6 本章小结  51-52
第四章 ECAP 挤压后细晶不锈钢的力学性能  52-63
  4.1 ECAP 挤压后1~8 道次不锈钢的力学性能  52-54
  4.2 ECAP 挤压后1~8 道次不锈钢的显微硬度  54-55
  4.3 硬度和抗拉强度之间的关系  55-56
  4.4 退火工艺对ECAP 细晶不锈钢硬度的影响  56-59
  4.5 ECAP 奥氏体不锈钢强化机制  59-61
    4.5.1 形变强化  59-60
    4.5.2 细晶强化/晶界强化  60-61
  4.6 本章小结  61-63
第五章 ECAP 挤压后细晶不锈钢耐蚀性能的变化  63-71
  5.1 不锈钢的耐腐蚀原理  63-64
  5.2 0~8 道次挤压后不锈钢的极化曲线  64-67
  5.3 阳极极化后不锈钢的SEM 形貌  67-70
  5.4 本章小结  70-71
全文结论  71-74
参考文献  74-78
攻读硕士学位期间取得的研究成果  78-79
致谢  79

等径角挤压法（ECAP）制备块体超细晶奥氏体不锈钢的工艺及性能

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