客车车辆用含氮奥氏体不锈钢的研究

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近年来,城市轨道交通和城际高速铁路正经历一个前所未有的发展高潮。不锈钢用于制造客车车辆具有寿命周期成本低、回收利用率高等特点,正成为铝合金的主要竞争材料。尽管标准中规定了客车车辆用00Cr17Ni7奥氏体不锈钢的成分范围,但满足标准成分范围生产出来的产品性能差别大且不稳定,00Cr17Ni7奥氏体不锈钢需要用一个成分体系生产出5个强度等级满足车体不同部位对强度的要求,因而标准成分范围特别是氮含量的范围不能满足精细化控制性能的要求。为此,本文在标准成分范围内研究了氮含量对00Cr17Ni7奥氏体不锈钢组织性能的影响,得出适合精细化性能控制的合适目标氮含量及其范围,以优化的成分为基础,研究了冶金工艺对其组织性能的影响,得出了实现精细化性能控制的两种可行生产工艺,加工硬化工艺和奥氏体晶粒度控制工艺。本文的主要研究结论如下:  在0~0.2%的范围内,氮对固溶和敏化组织有比较明显的影响,这与氮稳定奥氏体及阻止碳化物在晶界的析出作用有关。氮提高00Cr17Ni7在3.5%NaCl溶液中的点蚀电位并降低在大气气氛下的腐蚀速率;应力腐蚀与应变后的组织有关,氮含量较低时在应力作用下发生了马氏体转变,先于应力腐蚀发生了均匀腐蚀,随着氮含量的升高开始发生应力腐蚀,裂纹萌生和裂纹扩展时间没有随着氮含量的增加而延长。在1000~1150℃内,氮通过提高00Cr17Ni7奥氏体不锈钢的扩散激活能来降低其氧化速率,提高抗氧化性能。  当氮含量从0.04%增加到0.15%时,00Cr17Ni7奥氏体不锈钢的高温热变形过程的平均形变激活能由463KJ/mol提高到554KJ/mol,表明氮含量的增加抑制了热变形过程的软化,增加热轧过程的变形抗力。氮通过提高奥氏体的稳定性降低00Cr17Ni7奥氏体不锈钢的加工硬化速率。综合考虑氮对组织、腐蚀性能、热变形行为和力学性能的影响,工业上实现精细化性能控制的合适目标氮含量为0.1%,氮含量控制范围为0.085%~0.115%。  加热工艺中,氧化气氛中的水蒸气含量对00Cr17Ni7奥氏体不锈钢的氧化影响比较严重。相比较于加热时间,加热温度对氧化速率的影响更明显。基体浅表层中的高温δ铁素体含量随着加热温度的升高而减少,高温δ铁素体随着加热时间的延长而变得粗大。终轧温度和卷取温度对00Cr17Ni7奥氏体不锈钢的性能影响不明显,合适的终轧温度和卷取温度控制范围分别为:975±50℃和725±75℃。  00Cr17Ni7奥氏体不锈钢经冷变形后发生了形变α马氏体的转变,形核点位于剪切带的交叉点处,通过形核点的不断累积长大成为板条状的马氏体。其转变量受应变速率、应变温度和应变量的影响,但应变温度的影响较应变速率显著。在冷轧变形模式下形变α马氏体的转变量随应变的曲线具有“S”特征,可用Olson-Cohen模型来描述:  fα=1-exp{-3.578[1-exp(-3.102ε)]4.5}。  冷轧后的强度和硬度随着压下量的增加而增加,延伸率随着压下量的增加而减小。冷轧压下量为15%~60%时,抗拉强度与硬度的比值接近3,说明强度的提高是由于单一因素即形变α马氏体所致。  00Cr17Ni7奥氏体不锈钢经冷变形后由加工硬化的奥氏体和形变α马氏体两相组成。其奥氏体相织构主要由Brass{110}<112>、Goss{110}<001>和少量的Copper{112}<111>、S{123}<634>组成,并且随着压下量的增加,Brass和Goss织构含量显著提高。马氏体相的织构类型主要是α取向的{115}<110>、{112}<110>和γ取向附近的{111}<112>、{332}<113>。  经80%冷轧压下量的00Cr17Ni7奥氏体不锈钢在退火过程中形变α马氏体通过扩散型转变机理向奥氏体转变,转变后的奥氏体晶粒大小与退火工艺密切相关。退火后的性能由形变α马氏体转变量和转变后奥氏体的晶粒大小决定。在低温短时间退火时,影响性能的主要因素是未转变的形变α马氏体量,低温长时间和高温退火时,几乎全部的形变α马氏体转变成了奥氏体,影响性能的主要因素是奥氏体晶粒大小。  冷变形后的点蚀电位随变形量升高先降低后升高,保护电位随冷变形量逐渐降低。退火后的点蚀电位随晶粒直径增大先升高后降低,保护电位随晶粒直径增大而升高。  由冷轧和退火工艺对00Cr17Ni7奥氏体不锈钢组织性能的影响得出精细化控制性能的两种可行生产工艺:加工硬化工艺和晶粒度控制工艺。两种工艺生产产品的耐蚀性相当、织构类型相似,但晶粒度控制工艺产品的塑性更好。
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