對不同Al含量（0、2%、4%）的304不銹鋼管進(jìn)行軋制，采用OM、XRD、EPMA等手段研究軋制狀態(tài)下的顯微組織，研究力學(xué)性能和耐腐蝕性能。結果表明，隨著(zhù)Al含量的增加，合金基體轉變?yōu)閱蜗嗟?雙相結構，Al元素以固溶體和Al4C3的形式分布在基體中沉淀相。隨著(zhù)含量的增加，析出的Al4C3相增加。隨著(zhù)Al含量的增加，合金的強度先降低后增加，而延伸率逐漸降低。合金斷口形貌的SEM分析表明斷口形貌為韌性斷裂。隨著(zhù)Al含量的增加，合金的腐蝕速率顯著(zhù)降低，含4質(zhì)量%的Al304的耐晶間腐蝕性能是304的兩倍以上。 Al4C3相的析出減少了缺鉻面積，在合金表面形成了更穩定的Al2O3鈍化膜，是提高耐蝕性的主要因素。

304不銹鋼管具有良好的機械性能和良好的耐腐蝕性能，因此被廣泛應用于石油、化工、能源和電力領(lǐng)域。然而，上述大多數環(huán)境都含有腐蝕性氣氛，如水蒸氣和硫化物。這種氣氛會(huì )加速材料性能的劣化，影響使用壽命。適當的合金化或表面涂層技術(shù)可以有效地保護和控制材料的腐蝕，但后者更昂貴，因此是當今常用的重要方法。

事實(shí)上，金屬的長(cháng)期保護與其表面形成的氧化物有關(guān)。 304不銹鋼管表面形成的Cr2O3膜在600以上的水蒸氣環(huán)境中易揮發(fā)，形成Cr氫氧化物，干擾其使用。高鋁304不銹鋼管表面可形成Al2O3膜，與Cr2O3膜相比，Al2O3膜生長(cháng)速率更低，熱力學(xué)穩定性更好，致密度更好。在硫化和水蒸氣環(huán)境中使用更有利。近年來(lái)，鋁改性不銹鋼管的研究工作正在逐步推進(jìn)，目前國外科技人員已在實(shí)驗室成功研制出800高鋁奧氏體不銹鋼管。還對大塊不銹鋼管進(jìn)行了研究，結果表明，鑄造304 合金可以通過(guò)Al 改性，在不降低室溫強度的情況下顯著(zhù)提高高溫抗氧化性和抗腐蝕性能。不銹鋼管大多以軋制狀態(tài)供貨，對含鋁奧氏體不銹鋼管軋制的研究在世界范圍內鮮有報道。本文在304的基礎上研究了不同Al含量的304熱軋后的組織和性能，揭示了Al對熱軋304不銹鋼管組織和性能的影響，并為高耐久性開(kāi)發(fā)提供了實(shí)驗和結果。熱軋板用鋁304不銹鋼管的理論基礎[J].

1 實(shí)驗材料與方法

實(shí)驗原料均為粉末，按表1化學(xué)成分稱(chēng)量實(shí)驗鋼的三種組分。稱(chēng)取三種組分的粉末，放入QM-BP行星式球磨機進(jìn)行球磨?；旌戏勰┰阡撃Ｖ袎褐茷?0mm50mm，壓縮后的圓筒在氬氣保護下在WS-4非自耗真空電弧爐中熔煉，以保證結構的致密性和均勻性。每種合金的成分重熔4-6次。

將熔融合金的表面缺陷和氧化皮磨削后，用壓力機對鋼坯進(jìn)行熱壓，熱壓溫度1200，保溫時(shí)間30-40分鐘，熱壓壓力60-80兆帕.道次8-10次，熱壓總變形量60%左右。將熱壓試樣加工成30mm30mm4mm的軋制試樣，軋制溫度1200，保溫時(shí)間5分鐘，軋制道次16-20次，總軋制變形約40%。軋制的樣品在1100 C 下保持25 分鐘，然后水淬進(jìn)行固溶處理。 

處理后的樣品用水砂紙拋光后，用FeCl3+鹽酸+蒸餾水蝕刻劑拋光腐蝕，用Mef3光學(xué)顯微鏡觀(guān)察樣品微觀(guān)結構，用EPMA-測量樣品中各元素的分布1600 電子探針和X 射線(xiàn)分析相組成。根據國家標準GB/T228-2002 《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的技術(shù)要求，加工成啞鈴形拉伸試樣，拉伸試樣標距10mm，截面積3.4mm1mm。為保證實(shí)驗結果的準確性，對不同成分的樣品進(jìn)行了3次測試，取測試結果的平均值。根據試樣的載荷-位移數據繪制-曲線(xiàn)。然后根據-曲線(xiàn)確定各組分試樣的屈服強度Rp0.2、抗拉強度b和伸長(cháng)率。

晶間腐蝕試驗按GB/T4334.3-2008進(jìn)行。通過(guò)線(xiàn)切割將軋制樣品加工成15mm x 10mm x 2mm。然后進(jìn)行增減處理，將增減溫度設為650，保溫2小時(shí)，冷卻空氣。用500 和1000 水基砂紙打磨。然后進(jìn)行去污干燥處理，用分析天平稱(chēng)量（精度1mg），在錐形瓶中配制65%硝酸溶液，連接冷凝回流裝置，用酒精燈加熱煮沸，腐蝕時(shí)間為48 小時(shí)。實(shí)驗結束后，取出試樣，用軟毛刷在流水中刷刷表面腐蝕產(chǎn)物，晾干，稱(chēng)重。實(shí)驗五次循環(huán)，以腐蝕速率評價(jià)實(shí)驗結果，腐蝕速率計算公式如下： 腐蝕率=（m 前- m 后）/（s t）。式中，m，實(shí)驗前質(zhì)量（g），實(shí)驗后m-樣品質(zhì)量（g），s-樣品總面積（m2），t-實(shí)驗時(shí)間（h）。

2 結果與討論

2.1 顯微結構形態(tài)

如如圖1所示，不含Al的304不銹鋼管的熱軋組織由灰白色基體相和黑色碳化鉻組成。 %Al，也出現少量較大尺寸的粒狀黑色相（如圖1b）。含4% Al 的304 合金基體由灰白色 相和巨黑 相組成，基體中分布著(zhù)兩種粒狀黑色相（如圖1c）。同時(shí)。

Al是形成鐵素體的元素，根據鉻當量公式，Al對鉻當量的影響相當于Cr的2.5倍。當Al含量增加到4%時(shí)，基體逐漸由單相轉變?yōu)?雙相，隨著(zhù)Al含量的增加，合金的粒狀黑色相出現兩種不同的尺寸。為進(jìn)一步分析其成分，采用EPMA對合金2和3的表面掃描結果為如圖3。如圖4 所示，結果是少量的Al 和Cr 以?xún)煞N合金的化合物形式存在，大部分Al 溶解在固溶體中。結合XRD分析可知，顯微組織的大黑相為Al和C的復合相，Al4C3等Al的濃相，小黑相為鉻的碳化物。合金經(jīng)坯料和熱軋后，合金的晶格結構嚴重扭曲，Al在奧氏體基體中的溶解度降低，部分Al元素從基體中析出。根據Brady等人的研究，Al在奧氏體中的溶解度為2~2.5%，過(guò)量的Al元素以(Fe,Ni)Al金屬間化合物的形式存在。但由于304的Ni含量較少，析出的Al元素不優(yōu)先形成(Fe,Ni)Al金屬間化合物而存在于富AlAl4C3和富Al相中，并隨著(zhù)Al含量的增加而濃縮。癥狀比較嚴重。高熔點(diǎn)Al4C3在軋制過(guò)程中優(yōu)先形成，消耗基體中的C并抑制碳化鉻的析出。

2.2 力學(xué)性能

三種試驗鋼的應力-應變曲線(xiàn)和拉伸性能見(jiàn)如圖5。添加Al的304不銹鋼管的強度沒(méi)有明顯增加，304的屈服強度在A(yíng)l含量為2%時(shí)最低，屈服強度為225 MPa，304不添加Al，添加4% Al時(shí)，屈服強度為225 MPa。屈服強度分別為305 和315 MPa?？估瓘姸鹊淖兓幝膳c屈服強度一致。 Al元素在基體中的固溶可以提高試驗鋼的強度，但由于較大相Al4C3的析出，合金強度并未提高，甚至在含2%Al時(shí)合金強度最低。這主要是因為Al4C3相是產(chǎn)生微裂紋的主要原因，其尺寸與微裂紋尺寸相同。試驗鋼中Al4C3的平均晶粒尺寸大于5m（圖1、2、3）。因此，對材料強度的弱化作用足以抵消Al的固溶強化。

Al是形成鐵素體的元素，當304的Al含量達到4%時(shí)，基體上就會(huì )出現鐵素體相，形成兩相結構。明顯優(yōu)于鐵素體奧氏體不銹鋼管。最近的研究表明，鐵素體的存在可以將兩相組織的晶粒細化至奧氏體不銹鋼管組織晶粒尺寸的一半，并且增強了晶界干涉位錯的效果[14-15]。 ]。從而強化合金。同時(shí)，Al可以置換晶格中的鐵原子，破壞原有的晶格排列，使位錯難以移動(dòng)，強化合金。 Al 元素的這種強化作用抵消了由粗糙的Al4C3 相引起的強度下降。含4%Al的304不銹鋼管的強度與不含Al的304不銹鋼管的強度相同。

隨著(zhù)Al含量的增加，三種試驗鋼的延伸率略有下降。未添加Al的304不銹鋼管的伸長(cháng)率降低了75%，添加Al后的304不銹鋼管的伸長(cháng)率降低了6%和12%。含Al304的不銹鋼管中的Al4C3顆粒大部分硬而脆，因此在拉伸時(shí)難以參與塑性變形，且和的變形不協(xié)調，故Al304的塑性如下。減少。三種試驗鋼的熱軋拉伸破壞形貌見(jiàn)如圖6，不含Al的304整體斷口為韌性微孔，微孔深且邊緣長(cháng)。第一個(gè)是直徑為5-8 m 的大而深的等軸凹坑，由正常流動(dòng)應力的早期和中期階段的生長(cháng)形成。大多數是通過(guò)成核形成的。在塑性變形量較大的情況下，凹坑可以充分生長(cháng)，另一種是直徑在3m以下的小凹坑，是在正常流變應力的后期生長(cháng)形成的。細小碳化物形核，大的不夠，尺寸小，因此試樣的斷裂方式為韌性斷裂。與不含Al的304相比，含2%Al的304不銹鋼管的凹坑數量減少，尺寸不同，部分部位有平坦臺階，因此可以判斷斷口類(lèi)型為凹坑加臺階。含4%Al的304不銹鋼管拉伸斷裂凹坑較大，大凹坑周?chē)性S多小凹坑，無(wú)明顯臺階，但有明顯撕裂現象?？梢钥闯?，斷裂是由連續拉伸過(guò)程中強烈的塑性變形引起的，在滑動(dòng)位移或夾雜物與母材的界面處產(chǎn)生空隙，裂紋擴展和積累，導致最終斷裂。也屬于韌性斷裂。斷裂形式為混合凹坑和撕裂邊緣。

2.3 耐腐蝕性

三種試驗鋼的晶間腐蝕結果見(jiàn)如圖7。結果表明，隨著(zhù)Al元素的加入，304不銹鋼管的晶間腐蝕速率逐漸降低。其中，含4% Al 的304 的晶間腐蝕速率是不含Al304 的鋼的兩倍以上。晶間腐蝕是由晶粒間電化學(xué)不均勻性和晶界周?chē)鷩乐厝便t區域引起的[16]，除了試驗鋼基體中的Al元素溶液外，過(guò)量的Al會(huì )優(yōu)先與CAl4C3反應.如如圖2(c) 所示，即使在含4% Al 的304 中也能清楚地檢測到該相。同時(shí)，顧學(xué)敏等人的研究表明，Al和C在高溫下可以緩慢反應形成Al4C3顆粒[17]。 Al4C3 相的形成消耗了合金中的C，并阻止了C 擴散到顆粒中。界面處的鉻減少，晶界處的鉻減少，碳化物析出的減少減少了不銹鋼管中鉻的消耗，實(shí)驗鋼基體中鐵素體的出現導致相界能（ /)成為奧氏體晶界能量(/)低于相界，因此碳化鉻優(yōu)先在相界面析出，這些鐵素體相沿奧氏體晶界形成并以孤立的形式存在島嶼。破壞了奧氏體晶界的連續性，奧氏體晶粒細化，晶界和相界的總面積大大增加。這些因素有利于提高Al304不銹鋼的晶界耐蝕性管道。

試驗鋼中的Al元素可以形成比表面的Cr2O3保護膜具有更高電化學(xué)穩定性和更低腐蝕速率的Al2O3保護膜，根據膜理論，Al304不銹鋼管與介質(zhì)相互作用形成非常好的地層.薄的Al2O3保護膜延緩了陽(yáng)極工藝的進(jìn)行，提高了合金的化學(xué)穩定性，提高了Al304不銹鋼管的耐晶間腐蝕性能。

3 結論

1）在添加Al的304不銹鋼管的熱軋組織中，Al主要以固溶體和Al4C3相的形式存在。 Al是形成鐵素體的元素，隨著(zhù)鋁含量的增加，合金基體由轉變?yōu)?雙相結構。隨著(zhù)鋁含量的增加，高熔點(diǎn)Al4C3優(yōu)先析出，碳化鉻的析出量逐漸減少。

2）在熱軋304不銹鋼管中加入Al元素后，基體中形成較大尺寸的Al4C3相，使Al304不銹鋼管的熱軋強度不發(fā)生變化或大幅度降低。同時(shí)，隨著(zhù)Al含量的增加，合金的延伸率從最初的75%逐漸降低到66%，三種合金的破壞模式為韌性破壞。

3）添加Al的熱軋304不銹鋼管的耐晶間腐蝕性能大大提高，特別是含4%Al的304不銹鋼管的耐蝕性是304不銹鋼管的2倍。