临界退火温度对双相不锈钢材料力学性能及组织的影响

  双相不锈钢中的奥氏体形成与长大是受扩散控制的过程，在退火的短时保温过程中，碳的扩散在该过程中占主导地位。加热至临界区时，奥氏体首先在铁素体和珠光体的交界面形核，在实验中的温度下，形核过程是瞬时完成的，奥氏体很快就进入长大状态。奥氏体的长大过程中，碳扩散的路径是沿着珠光体一奥氏体的交界面进行的，珠光体的溶解速度非常迅速，这与珠光体的片层间距较小有关，并且随着温度的升高，扩散速率会迅速增加，甚至以几个数量级的倍数增加。

    双相不锈钢退火温度较低时，奥氏体的长大通常是沿着铁素体的晶界长大，方向平行于铁素体的晶界。所以，在图中，可以观察到在临界退火温度较低时(710℃、730℃)，组织中出现了带状组织。奥氏体长大方式与碳元素的扩散方式有很大关系，在温度较低时质量传递多于晶界扩散的方式进行，而温度升高后，质量传递多于体扩散的方式进行。而垂直于晶界的长大速率受体扩散控制，平行于晶界的长大速率受晶界扩散的控制。所以，在低温状态下，奥氏体优先选择平行于晶界的长大方式，造成了带状组织和奥氏体尺寸不均的现象。这种非对称的长大方式，与晶界扩散和体扩散的激活能有直接的关系，提高临界退火温度，可以提供更高的扩散激活能，所以在750℃和780℃时，组织中的带状组织得到消除，并且马氏体岛尺寸基本一致，并呈均匀分布。

    双相不锈钢快速加热是为了能够得到细化铁素体和奥氏体的目的。以非常快的速度加热到两相区，会增加奥氏体的形核点，加热温度升高，碳和合金元素的扩散速率提高，可以加速奥氏体的形成过程，在实验结果中也看到了奥氏体呈均匀弥散的分布。而对于铁素体，通过快速加热所预期的是要充分的抑制回复的过程，为再结晶提供更多的能量。但在低温条件下，铁素体内部仍然有一部分因回复而产生的亚晶组织，这一定程度上抑制了晶粒的细化，并且在变形的过程中会使位错的滑移受到影响，在退火温度为710℃时的拉伸曲线上出现了小的屈服平台，与铁素体中存在的亚结构有一定的关系。

    马氏体的体积分数随温度升高而增大，该变化趋势在710℃~750℃条件下变化趋势较为平稳，但是在780℃时有很大的增加。在临界退火温度为780℃条件下，珠光体的溶解速率是730℃的103倍，考虑到快速加热时的两相区上移，这与本实验中的结果吻合，即在780℃时，奥氏体的长大速率有了非常大的升高，即使在非常短的保温时间内，仍然能够大幅度提升马氏体的体积分数。对应实验钢管的加工硬化指数的变化趋势也可以看出，710℃~750℃时的刀值变化平稳，而到780℃时下降非常明显。

    加工硬化能力下降与马氏体的形态和结构有关系。在实验钢管碳的成分含量一定的条件下，马氏体的体积分数越高，则马氏体中的碳含量越低。由图可见，750℃临界退火条件下生成的马氏体大多为板条马氏体，板条间距较小，内部可见大量的位错亚结构，并可见少量的高碳马氏体，亚结构为孪晶。退火温度升高至780℃时，马氏体的晶粒尺寸增大，内部结构都为板条结构，板条间距明显增大。拉伸试验的结果通常是双相钢中各相变形特性和各相之间的相互作用的综合反应，与铁素体和马氏体的变形特性和各相之间的变形相容性有关。马氏体体积分数的增加必然会是实验钢管的强度有所提高，但是通过观察可发现780℃时的拉伸曲线在较高的应力下才体现出了加工硬化的现象，而其他工艺下的实验钢管则在较小的应力下便呈现了较明显的加工硬化行为。所以，温度的升高降低了实验钢管在初始屈服时的流变应力敏感性，而含碳量较少的马氏体硬度较小，使加工硬化过程不充分时就发生了断裂，从而降低了实验钢管的加工硬化性能。另外，结合得好的马氏体-铁素体相界会使微孔的产生和聚集发生困难，推迟颈缩的发生，从而提高双相不锈钢钢的加工硬化性能。对比图可见退火温度为750℃的实验钢管中马氏体的晶界较圆滑，从而降低了相界处的应力集中，这也是其表现出良好的加工硬化能力的原因之一。