高氮奥氏体不锈钢冷轧退火过程中晶界特征分布的演化规律及机理研究

Through the combination of experimental test and theoretical analysis, we will systematically study the relationship between grain boundary character distribution(GBCD) induced by grain boundary engineering(GBE) and corrosion resistance of grain boundaries in new type structural material, namely high nitrogen austenitic stainless steel(HNASS), clarify the physical essence of this relevance and the effect mechanism of GBE on intergranular corrosion resistance, evaluate the effect of GBE process on the intergranular corrosion resistance of HNASS, construct the relationship among deformation level, annealing temperature, annealing time and special grain boundaries, optimize the process parameters inducing effectively special grain boundaries, clarify the evolution rule of GBCD under different heat treatment system and explain its optimization mechanism. The research results can not only provide a new settlement thought and way for the intergranular corrosion induced by the precipitation of nitride during welding HNASS, but also own important significance in guiding industrial production of HNASS and enriching its scientific theory. It also lay a solid theoretical foundation for the development and low cost, large scale application of China's resource-saving stainless steel.

通过实验测试与理论分析相结合的方式，系统研究在新型结构材料-高氮奥氏体不锈钢中晶界工程诱发的晶界特征分布与晶界腐蚀性能之间的关系，阐明这种相关性的物理本质及晶界工程对高氮奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀性能的作用机理，评估晶界工程方法对高氮奥氏体不锈钢晶间腐蚀性能的影响；构建变形量、退火温度、退火时间和特殊晶界之间的关系，优化诱发有效特殊晶界的工艺参数；明确不同热处理制度下晶界特征分布的演化规律，阐明其优化机理。研究结果不仅可以为高氮奥氏体不锈钢焊接过程中氮化物的析出所引起的晶间腐蚀问题提供一种新的解决思路与途径，对于指导高氮钢的工业化生产、丰富高氮钢科学理论具有重要意义，而且可以为我国资源节约型不锈钢的发展和低成本、大规模实际应用奠定坚实的理论基础。

高氮无镍奥氏体不锈钢具有优异的性能，能满足高强、高韧、高耐蚀以及无磁等工程应用要求。同时与传统含镍奥氏体不锈钢相比具有明显的成本优势；但是过高的氮含量使得这种新型不锈钢在热加工时容易发生氮化物的析出现象进而容易导致晶间腐蚀的发生，直接限制了该材料的实际应用。本项目通过对高氮无镍奥氏体不锈钢进行不同形变热处理后发现，在Fe-18Cr-18Mn-0.63N钢中，7%冷变形后在1150℃下退火10 min为本实验条件下GBCD优化的最佳工艺制度，试样中特殊晶界比例由初始状态的47.3%提高到了83.3%，增加了36%，优化效果显著。在Fe-20Cr-19Mn-2Mo-0.82N钢中，5%冷变形后，在1150℃退火72h的特殊晶界比例最高，为本实验条件下GBCD的最佳优化工艺，特殊晶界比例由初始状态样品的47.3%提高到79.4%，特殊晶界比例增加了32.1%。特殊晶界主要由Σ3、Σ9和Σ27组成，其中Σ3晶界占较大比例。本实验用钢中析出相为Cr2N相，特殊晶界比例较高的样品中，晶界处第二相的析出较少，表明特殊晶界具有较好的抑制晶间析出的特性。本项目研究发现：只有Σ3晶界显示出了很好的晶间腐蚀抗力，其它Σ9、Σ27等低ΣCSL晶界与一般大角晶界一样，腐蚀较为严重。GBCD优化引入的大量Σ3晶界有效地打断了不耐蚀晶界（Σ9，Σ27和一般大角晶界等）的网络连通性，阻止了腐蚀沿不耐蚀晶界的扩展；另外，具有高比例特殊晶界的试样中大尺寸晶界团的存在有效地减缓了腐蚀向试样内部的延伸、阻碍了晶粒的脱落，从而提高了试样的耐晶间腐蚀性能。本项目的研究为解决高氮奥氏体不锈钢由于第二相析出所引起的晶间腐蚀问题提供了一个新的思路。