双相不锈钢的微观组织设计与力学性能优化

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1、双相不锈钢的微观组织设计与力学性能优化重庆大学博士学位论文学生姓名：谢霖指导教师：黄晓旭教授吴桂林研究员专业：材料科学与工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二O一七年十月MicrostructuraldesignofduplexstainlesssteelsforenhancedmechanicalpropertiesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByLinXieSupervi

2、sedbyProf.XiaoxuHuangSupervisedbyProf.GuilinWuSpecialty:MaterialsScienceandEngineeringCollegeofMaterialsScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2017中文摘要摘要双相不锈钢是由铁素体与奥氏体组成的复相结构钢种。它具有出色的耐腐蚀性与优良的力学性能，通常被作为重要的工程结构材料在石化、海洋以及建筑工业等领域得到了广泛地应用。晶粒细化是提高双相不锈钢力学性能的主要手段。然而

3、，当晶粒尺寸降低至亚微米尺度时，材料的强度和塑性往往无法兼而有之。因此，亚微米晶粒尺度的强塑性失衡成为双相不锈钢力学性能优化进程中亟待解决的问题。本文以Fe-25Cr-6Ni-3Mo-0.3N和Fe-23Cr-8.5Ni两种成分不同的双相不锈钢为研究对象，针对其奥氏体力学稳定性不同的特点，分别采用了不同的组织结构设计策略以达到优化其力学性能的目的。本文综合运用了光学显微镜、透射电子显微镜、电子背散射衍射技术以及X射线衍射技术等手段对经不同工艺制备的样品的微观组织进行了系统的表征。同时，还对不同工艺阶段的材料进行了系统的力学性能测试，并结合多种分析方法，定量地表征了

4、材料在拉伸变形过程中的加工硬化行为。首先，针对Fe-25Cr-6Ni-3Mo-0.3N双相不锈钢，利用大应变冷轧与高温短时间退火工艺，制备了具有多尺度晶粒分布的非均匀层状双相组织，在铁素体与奥氏体两相中均实现了晶粒尺寸由纳米尺度到微米尺度的跨度。特别是在经90%冷轧以及900C退火1分钟后，铁素体与奥氏体的平均晶粒尺寸分别为1.1μm和0.9μm。这一特殊的组织结构特点赋予了材料超细晶的高强度与粗晶的高塑性。非均匀层状双相组织的屈服强度与抗拉强度分别由初始退火态的488MPa和704MPa大幅提升至805MPa和1002MPa，而断裂延伸率仅由38%轻微降至33

5、%，其综合力学性能明显优于具有相当合金成分的商用2507双相不锈钢。其次，以Fe-23Cr-8.5Ni双相不锈钢为模型材料，利用传统冷轧退火工艺，结合形变过程中的马氏体相变（γ→α´）以及退火过程中的逆相变（α´→γ），制备了由回复态的铁素体与完全再结晶的奥氏体组成的纳米结构双相组织。特别是在经90%冷轧以及700C退火30分钟后，钢中铁素体与奥氏体的平均晶粒尺寸分别细化至350nm和400nm。在细晶强化与相变诱发塑性的共同作用下，纳米双相组织表现出高强度与高塑性的特点，其屈服强度与抗拉强度分别由初始热锻态的395MPa和588MPa提升至738MPa和818

6、MPa，而断裂延伸率仍然高达29%。最后，分别以非均匀层状结构Fe-25Cr-6Ni-3Mo-0.3N双相不锈钢以及纳米结构Fe-23Cr-8.5Ni双相不锈钢为研究对象，揭示了其微观组织中不同结构组元在拉伸变形初期的微观塑性响应。同时，结合拉伸卸载-加载试验，通过对BauschingerI重庆大学博士学位论文效应的定量分析，计算了材料的背应力及其加工硬化速率。在形变过程中，非均匀层状结构Fe-25Cr-6Ni-3Mo-0.3N双相不锈钢与纳米结构Fe-23Cr-8.5Ni双相不锈钢均表现出多元化的微观塑性响应，因而具有较强的Bauschinger效应及较高的背应

7、力。随应变量的增加，Bauschinger效应逐渐增强，背应力也随之上升。背应力的持续上升为材料提供了额外的加工硬化，对材料的塑性增加有着显著的贡献。本文的研究结果表明，双相不锈钢的晶粒尺寸、粒径分布以及奥氏体的力学稳定性均对力学性能有着重要的影响。针对不同合金成分钢种的微观组织特点与塑性变形机制，通过不同的组织设计策略，可以在提高材料强度的同时保持良好的塑性，从而实现改善和优化双相不锈钢力学性能的目的。关键词：双相不锈钢，非均匀组织，纳米结构，力学性能，背应力II英文摘要ABSTRACTDuplexstainlesssteels,wherethemicrostr

8、uctur