材料成型及控制工程业论文.doc 33页

 毕业设计(论文) 轧制退火后316L奥氏体不锈钢晶界特征分布 摘 要 1984年Watanabe首次提出了“晶界设计与控制”思想,指出采用适当工艺可以增加多晶体中重合位置点阵(CoincidenceSiteLattice,CSL)晶界的数量,从而提高材料的强韧性能。1995年Lin等人第一次通过实验研究评估了“晶界设计和控制”对块体材料抗晶间腐蚀性能的影响,并进一步把它发展为晶界工程 本文采用电子背散射衍射（EBSD）技术初步研究了，316L奥氏体不锈钢经“晶界工程”处理的5个试样（2.5%变形量—1000℃退火：2h （1#）、24h（2#）；2.5%变形量—1000℃退火： 2h（3#）、6h（4#）、24h（5#）。）。他们经不同冷轧小变形和退火时间的处理。1#与2#对比，3#、4#与5#对比，得出同一变形量和退火温度条件下，退火时间对优化效果的影响。1#与3#对比，2#与5#对比，得出同一退火温度和退火时间条件下，变形量对优化效果的影响。利用奥林巴斯(AOLY MPUS)GX51金相显微镜观察了原始态样品和5个处理的试样的晶界特征分布，然后对5个处理的试样采用电子背散射衍射（EBSD）技术得出OIM图、GB+SB图、CSLB图。通过，对比原始态试样与5个处理试样的图样，用以证明经过经“晶界工程”处理的5个试样晶界是否得到优化。经过对5个处理试样的EBSD图样，横行和纵向对比，得出想要得出的结论。 实验表明，“晶界工程”处理样品的特殊晶界比例比原始态的要大；同一变形量和退火温度条件下，在一定范围内，特殊晶界比例随退火时间增长而增大；同一退火温度和退火时间条件下，在一定范围内，特殊晶界比例随变形量增大而增大；试样变形量增大，内部储能就相应大，最佳优化对应的退火时间就短；2.5%变形量—1000℃退火的一组样品，退火24小时的优化效果最佳，特殊晶界比例达到58%；4.5%变形量—1000℃退火的一组样品，退火2小时的优化效果最佳，特殊晶界比例达到75% 关键词：316L不锈钢，晶界工程，晶界特征分布，EBSD，变形量，退火时间。Abstract In 1984 the first time Watanabe put forward the design and control of grain boundaries thought, pointed out that using the appropriate technology can increase the polycrystal coincidence position dot matrix (CoincidenceSiteLattice, CSL) the number of grain boundaries, so as to improve the material of very tough performance. In 1995, the first time people Lin through experimental study assessed the grain boundaries design and control to block material intergranular corrosion resistant performance influence, and further development of grain boundaries for the project. Therefore, effects of engineering to optimize the 316 L austenitic stainless steel corrosion resistance have great value. This paper adopts electronic backscatter diffraction (EBSD) technology was studied, the 316 L austenitic stainless steel by grain boundaries engineering treatment of 5 samples (2.5% deformation-1000 ℃ annealing: 2 h (1#), 24 h (2#); 2.5% deformation-1000 ℃ annealing: 2 h (3#), 6 h (4 #), 24 h (5#).) . They by different small deformation and annealing cold rolling time processing. 1 # and 2 # contrast, # 3, 4 # # 5 and concludes that the same deformation and the annealing temperature conditions, annealing to optimize the effect of the time. # 1 and # 3 contrast, # 2 and # 5 concludes that the same annealing temperature and annealing time conditions, to optimize the deformation effect. Use Olympus (AOLY MPUS) GX51 metallographic microscope the primitive state samples and five processing sample characteristics of grain boundaries, and then the five processing samples by electronic backscatter diffraction (EBSD) technology that figure, GB + SB OIM figure, CSLB figure. Through the, compared to the original sample and five processing mode the pattern, that proves the after the grain boundaries engineering treatment of 5 samples whether grain boundary was optimized. After dealing with the sample to 5 EBSD pattern, and longitudinal across concludes that want to come to the conclusion. Experiments show that, effects of engineering processing of grain boundaries special sample rate than the original state to big; The same deformation and the annealing temperature conditions, in a certain range, the special effects of proportion and increased with time annealing growth; The same annealing temperature and annealing time conditions and within a certain range, the special grain boundaries with deformation ratio increases; Specimen deformation increase, internal energy storage are big, best optimizing the corresponding annealing time is short; 2.5%-1000 ℃ annealing deformation of a set of samples, annealing of 24 hours the optimization effect is best, special grain boundaries to 58%; 4.5%-1000 ℃ annealing deformation of a set of samples, annealing 2 hours of the optimization effect is best, special grain boundaries to 75% Keywords: 316 L stainless steel, from engineering, the characteristics of grain boundaries, EBSD, deformation, annealing time. 目 录 摘要 Abstract Ⅱ 目录 第一章 引言 1 1.1 不锈钢的介绍 1 1.2晶界特征分布 2 1.3 研究目的 2 1.4有关晶间腐蚀实验的研究 3 1.4.1 晶间腐蚀的特征和概念 3 1.4.2 晶间腐蚀机理 3 1.5实验课题的背景和意义 4 1.6论文主要研究内容 5 第二章 实验方法 7 2.1 前言 7 2.2 实验过程和方法 7 2.2.1 腐蚀方法 8 2.2.2 实验试剂制备 9 2.2.3 样品制备 9 2.2.4 EBSD测试 10 2.2.5 晶界腐蚀 11 第三章 结果与讨论 12 3.1 样品晶界特征分布 12 3.2样品的腐蚀实验结果及讨论 17 3.2.1 腐蚀样品失重的测试 17 3.2.2 四个样品的腐蚀形貌 19 结论 27 参考文献 28 致谢 30  1.1 不锈钢的介绍 不锈钢（Stainless Steel）指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到12％左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（ 自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。 不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。 奥氏体不锈钢：含铬大于18%，还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。0Cr19Ni9钢的wC0.08%，钢号中标记为“0”。这类钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1050～1150，然后水冷，以获得单相奥氏体组织。 奥氏体不锈钢：又称钛钢316L精钢钛材钢材料牌号：00Cr17Ni14Mo2添加Mo(2～3%) ,优秀的耐点蚀性，耐高温、抗蠕变性能优秀。316L因其优异的耐腐蚀性在化工行业有着广泛的应用，316L也是属于18-8型奥氏体不锈钢的衍生钢种，添加有2～3%的Mo元素。在316L的基础上，也衍生出很多钢种，比如添加少量Ti后衍生出316Ti，添加少量N后衍生出316N，增加Ni、Mo含量衍生出317L。市场上现有的316L大部分是按照美标来生产的。出于成本考虑，钢厂一般把产品的Ni含量尽量往下限靠。美标规定，316L的Ni含量为10～14%，日标则规定，316L的Ni含量为12～15%。按最低标准，美标和日标在Ni含量上有2%的区别，体现到价格上还是相当巨大的，所以客户在选购316L产品时还是需要看清，产品是参照ASTM还是JIS标准。 316L的Mo含量使得该钢种拥有优异的抗点蚀能力，可以安全的应用于含Cl－等卤素离子环境。由于316L主要应用的是其化学性能，钢厂对316L的表面检查要求稍低（相对304），对表面要求较高的客户要加强表面检查力度。 晶界是结构相同而取向不同晶体之间的界面。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。由于晶界上两个晶粒的质点排列取向有一定的差异，两者都力图使晶界上的质点排列符合于自己的取向。当达到平衡时，晶界上的原子就形成某种过渡的排列，晶界上由于原子排列不规则而造成结构比较疏松，因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性。晶界上原子排列较晶粒内疏松，因而晶界易受腐蚀（热侵蚀、化学腐蚀）后，很易显露出来；由于晶界上结构疏松，在多晶体中，晶界是原子（离子）快速扩散的通道，并容易引起杂质原子（离子）偏聚，同时也使晶界处熔点低于晶粒；晶界上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键变形等缺陷，使之处于应力畸变状态。故能阶较高，使得晶界成为富态相变时代先成核的区域。利用晶界的一系列特性，通过控制晶界组成、结构和相态等来制造新型无机材料是材料科学工作者很感兴趣的研究领域。 1984年Watanabe首次提出了“晶界设计与控制”思想,指出采用适当工艺可以增加多晶体中重合位置点阵(CoincidenceSiteLattice,CSL)晶界的数量,从而提高材料的强韧性能。1995年Lin等人第一次通过实验研究评估了“晶界设计和控制”对块体材料抗晶间腐蚀性能的影响,并进一步把它发展为晶界工程(GrainBoundaryEngineering,GBE)。后来,Randle在前人研究基础上提出了Σ3再生模型以及与孪生相关的晶界工程理论,成功地解释了材料中大量Σ3晶界的产生原因,并说明了晶界工程中晶界结构的演变机制。近年来,晶界工程理论也已在提高不锈钢、镍基合金等许多金属材料性能方面得到了成功应用。 1.4晶界工程研究进展 在过去的十几年里，人们在镍基合金、铅合金、奥氏体不锈钢和铜合金等材料的GBCDGBCD优化后，低Σ CSL 晶界( 特殊晶界) 的比例可达57％～9 6％，比传统工艺提高了 2～7倍 。特殊晶界中，退火孪晶界 ∑3 占 70％～85％，∑9和 ∑27可以达到 10％以上，而其它低ΣCSL 晶界的比例则很低，一般在5％以下。形变退火过程中形成的∑3孪晶界以及与之几何相关的∑9和∑27等晶界的生成是GBCD优化的关键。 利用背散射电子衍射花样（EBSD）分析冷轧变形量及热处理工艺对316不锈钢晶界特征分布的影响.结果表明,微量变形（5%）的试样在 1050热处理30min,低Σ-CSL晶界比例可提高到83.8%,且Σ3n晶界比例占总体低Σ-CSL晶界比例的93.6%.在低Σ-CSL晶界比例较高的试样的OIM图中,存在Σ3-Σ9-Σ3和Σ3-Σ9-Σ27三叉晶界角,该种晶界角的三个晶粒之间存在特定的取向关系.低Σ-CSL晶界的比例主要受晶粒的形核和晶界迁移的影响,与晶粒大小并没有直接的关系运用电子背散射衍射（EBSD）技术，对不同冷轧变形条件下再结晶IF钢板中的晶界特征分布和晶界连通性进行了研究。结果表明，增加冷轧变形量，有利于增加IF钢板中的小角度晶界（∑1），但对（∑3～∑29）重位点阵晶界的影响不大。低能特殊晶界（∑1～∑29）的增加有利于破碎IF钢板中的随机晶界网络，改善其晶界连通性。此外，IF钢板的晶界特征分布与其晶粒尺寸密切相关，小晶粒周围易出现低能特殊晶界，而大晶粒周围易出现高能随机晶界。总结了基于退火孪晶的金属材料晶界特征分布（GBCD）优化研究进展，并重点讨论了退火孪晶诱发GBCD优化的“∑3再激发”模型、“高∑-CSL晶界分解反应”模型和“非共格∑3晶界迁移与反应”模型。指出“非共格∑3晶界的迁移与反应”应是基于退火孪晶的中低层错能金属材料GBCD优化的微观机制；进一步研究非共格∑3晶界的成因及其在GBCD优化过程中的行为是十分必要的 (1)反复再结晶。即对材料先后进行20%—30%的形变和再结晶退火，并反复这个过程的处理工艺。再结晶退火的时间一般不超过20min。 (2)单步再结晶。即对材料进行50％—70％的中等变形后，在较高温度下进行1—2min短时退火。 (3)反复应变退火。即对材料进行2％—6％的较小变形后，在较高温度进行几分钟的短时退火，并多次重复该过程；或对材料进行较小变形后，在低温下多次进行1—20h较长时间的退火处理。由于变形量较小，在退火过程中不足以提供再结晶所需驱动力，材料不会发生再结晶，因此该工艺实质上是一种回复过程。 (4)单步应变退火。即对材料进行6％—8％的小变形或者仅利用材料中的残余应变作为退火过程中的驱动力，在较低温度下进行数十小时退火。采用这些工艺都能够提高晶界移动性，促使特殊CSL晶界的形成，并最终达到提高材料性能的目的。可见，不同变形量的形变和随后的不同热处理工艺的复合运用就是晶界工程的实现途径。 1.4 研究目的 观察经过晶界工程处理后的样品与非晶界工程处理的样品其晶界分布特征，从而验证晶界工程对不锈钢晶间腐蚀的抑制作用，阐明变形量、退火时间对其晶界特征分布的影响，为将晶界工程应用于改善316L不锈钢晶间腐蚀性能提供一定的理论依据。 1.5实验课题的背景和意义 材料科学的进展，影响国家发展。各国在材料领域投入大量人力和物力，不断加快材料研究。在不锈钢研究领域，出现一系列新的科研成果。 当今不锈钢领域的研究和应用，以奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢为主。奥氏体型不锈钢的性能优良，尤其是其优异的耐腐蚀性能，在各领域中应用广泛。奥氏体不锈钢的研究，对社会和经济进步有巨大意义。 从20世纪20年代工业界开始采用奥氏体型不锈钢，便发现这种钢材焊接后，离焊缝不远处有严重的晶间腐蚀倾向，引起了人们的关注。无论哪种晶间腐蚀问题，往往都和一些元素在晶界偏聚有关。显然，晶界的结构特点，界面能量的高低必然会影响到碳化物及其它合金元素（如P, H，S等）在晶界的沉淀偏聚，进而影响到合金的晶间腐蚀抗力，应力腐蚀抗力甚至晶界析出引起的脆性问题等。可以想象，通过设计和控制晶界的结构来改善奥氏体不锈钢性能应该是一个行之有效的方法。 因此本实验也通过“晶界工程”处理来研究增强316L奥氏体不锈钢腐蚀抗力的热处理优化工艺，使得材料的抗腐蚀性能有所提高，使金属材料的应用用途更加广泛。 第二章 实验方法 2.1实验材料 316L奥氏体不锈钢牌号：00Cr17Ni14Mo2， 化学成分 表2-1 316L不锈钢 C Si Mn P S Ni Cr Mo 质量分数/% ≤0.08 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.035 ≤0.03 10.0-14.0 16.0-18.5 2.0-3.0 表2-2 316L不锈钢性 抗拉强度 屈服强度 伸长率 硬度 ≥520Mpa ≥205Mpa ≥40% ≤187(HB) 2.2实验过程及实验设备仪器 本次实验的主要工艺流程：固溶态316L不锈钢→轧制（2.5%, 4.5%）→切割制样→退火（1000oC，分别保温2h、6h、24h）→清洗→精磨→抛光→EBSD观察→打硬度 2.2.1获得不同变形量下不同退火温度的试样 将两块316L板材用水清洗，进行粗磨去除表面的锈蚀，以防粘住轧辊。然后在冷轧机上进行小变形量的轧制。一块轧前的尺寸为mm,轧后尺寸为mm，形变量为2.5%；另一块轧尺寸mm,轧后尺寸为mm，形变量为4.5%是前属于较小变形。 将冷轧后的试样在电火花线切割机上切为若干个试样， 2.5%变形量的试样和 4.5%变形量的试样各取出4块。先对2.5%、4.5%变形量的试样各一块进行粗磨、细磨、抛光、蚀刻，然后用金相显微镜观察冷轧后316L组织。另外6块试样分别编号（1#、2#、3#为2.5变形量试样，4#、5#、6#为4.5%变形量试样）进行退火处理，温度定为1000 oC，2h后取出1#、4#水冷，6h后取出2#、5#水冷，24h后取出3#、6#水冷。对6块热处理后的试样进行清洗、粗磨、细磨、抛光、蚀刻处理。8块试样依次进行EBSD观察、奥林巴斯(AOLY MPUS)GX51金相显微镜观察，最后打硬度统计数值，本次试验所用到的试样编号及处理状态如表2.1所示。 2.2.2抛光、蚀刻过程 抛光：将无水乙醇与高氯酸按照85%:15%的比例配成抛光液。采用WYK302D直流稳压电源调整电压，以铜板做阴极，以316L不锈钢试样作为阳极，首先在30V电压下抛光30s左右，抛光过程一定要注意要不停的晃动防止气泡在表面停留，重要的表面要放到下表面，千万不能使样品与阴极相撞。 蚀刻：配制10%草酸溶液。采用WYK302D直流稳压电源调整电压，以铜板做阴极，以316L不锈钢试样作为阳极，首先在6V电压下抛光10s左右，抛光过程一定要注意要不停的晃动防止气泡在表面停留，重要的表面要放到下表面，千万不能使样品与阴极相撞。 2.2.3测量硬度 打开硬度测试仪，将安放在试台上，转动旋轮使物镜眼睛当试样离物镜下端23mm时，在的视场中心出现明亮光斑，说明聚焦面即将来到，此时应缓慢微量，直至在中观察到试样表面的清晰成像，这时聚焦过程完成。 2.2.4实验所用试剂及仪器设备 本实验中所用的实验试剂有：乙醇、高氯酸、草酸。 本实验所用的仪器有：电火花线切割机、磨抛机、电阻炉、冷轧机、千分尺、奥林巴斯(AOLY MPUS)GX51金相显微镜、扫描电镜EBSD系统、维式硬度计等。 下面对重要的设备作简单介绍： 一、冷轧机 本实验用的冷轧机是双辊式冷轧机，辊子的直径为Φ180mm，长度350mm。 二、电阻炉 以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。 大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体，称为电热体，由它把热能传给炉中物料（图1 间接加热电阻炉）。 这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛砌衬耐火材料，内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。一般电源电压220伏或380伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。小型炉（10千瓦）单相供电，大型炉三相供电。对于品种单一、批料量大的物料，宜采用连续式炉加热。 碳化硅棒 ?? 三、奥林巴斯(AOLY MPUS)GX51金相显微镜 利用此设备进行试样金相组织的观察，并用配备的数码相机拍摄金相照片。该设备具有较高的放大倍数,可对样品观察区域进行50、100、200、500倍的放大并进行拍照。本次实验，主要用放大200倍的镜头进行拍照。 四、EBSD技术 EBSD是可以做快速而准确的晶体取向测量的强有力的分析工具。在SEM中，其精确度高于0.5度，空间分辨率为0.5 (FESEM)。此方法的主要优点在于：在用户选择的特定点上，显微组织（如晶粒、相、界面、形变等）能与晶体学关系相联系。EBSD的主要应用是取向和取向差异的测量、微织构分析、相鉴定、应变和真实晶粒尺寸的测量。 归纳起来，EBSD技术具有以下四个方面的特点：(1)对晶体结构分析的精度已使EBSD技术成为一种继X光衍射和电子衍射后的一种微区物相鉴定新方法；（2）晶体取向分析功能使EBSD技术已逐渐成为一种标准的微区织构分析技术新方法；（3）EBSD方法所具有的高速（每秒钟可测定100个点）分析的特点及在样品上自动线、面分布采集数据点的特点已使该技术在晶体结构及取向分析上既具有透射电镜方法的微区分析的特点又具有X光衍射（或中子衍射）对大面积样品区域进行统计分析的特点。（4）EBSD样品制备也是相对简单。 因此，装有EBSD系统和能谱仪的扫描电子显微镜就可以将显微形貌、显微成分和显微取向三者集于一体，这大大方便了材料科学工作者的研究工作。 一种机、光、电、算一体化的高新技术产品，特别适合金属薄小试件、脆性材料的显微硬度检测。结构特征概述：采用无摩擦主轴结构，确保试验力稳定，测试精度高。采用微机技术、角位移传感技术于一体，实现试验过程、硬度值显示自动化。运用计算机技术、CCD图像处理技术，实现试验压痕捕捉、处理、测试、数据打印自动化。 第三章 结果与讨论 在上述实验过程中，我们进行了原始组织观察、冷轧、退火以及EBSD观察。试样在此过程中一系列组织和性能将发生变化，下面我们将从原始组织、组织演变、晶粒尺寸、硬度变化及形变后晶界特征分布分析。 3.1原始组织 通过金相显微镜上配备的DP12数码相机拍摄的试样热轧状态原始金相组织照片如图4-1所示，从图可知晶粒尺寸较大，约35μm左右。 图3-1 热轧状态原始组织金相图 3.2形变退火后合金的组织变化 根据再结晶理论，冷变形金属在加热时会依次经历回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。从组织上看，回复阶段的组织变化为晶粒内的胞状位错结构转变为亚晶；再结晶阶段是以产生无畸变的新晶核，然后在变形金属基体内长大，形成大角度晶界的新晶粒为标志的。下面具体分析316L不锈钢小形变退火过程中亚晶，晶粒尺寸和晶界特征分布的演变过程。 3.2.1 亚晶分布 3. 2.2 晶粒尺寸 图？？和图？？分别给出了2.5%和4.5%冷轧形变并在1000？下退火不同时间后试样的晶粒取向成像图（orientation image microscopy, OIM）,它们对应的试样编号分别为1#~5#。 图3-2 2.5%变形量不同退火时间下的的组织演变图.a 316L-2.5%-1000℃-2h b 316L-2.5%-1000℃-24h 从图3-2可以看出，对于2.5%变形量的试样：退火2h的试样，由于退火时间较短，晶粒较小，一般晶界较多且分散。退火24h的试样，晶粒粗大，一般晶界相对较少，平直的孪晶界增多。合金经4.5%形变退火后的晶粒尺寸变化与上述试样相似，但略有差异的是两者随退火时间段延长晶粒平均尺寸长大速率不同，如表2.1和图3.3（加折现图）所示。？？？？ d 316L-4.5%-1000℃-2h e 316L-4.5%-1000℃-6h f 316L-4.5%-1000℃-24h 图3-3 4.5%变形量不同退火时间下的的组织演变图 图3-3为4.5%变形量试样的组织演变过程，从上述组织演变图可知，对于4.5%变形量的试样：退火2h的试样，晶粒较大，一般晶界较少。退火6h的试样，随着退火时间的增加，晶粒变小，一般晶界增多。退火24h的试样，晶粒细小，一般晶界相对较多，特殊晶界减少。同2.5%组织变化变化规律不同。 同时，作者对相同退火时间不同变形量（2.5%→4.5%）晶粒尺寸进行了比较，发现a与d相比，d试样晶粒尺寸比a大，且一般晶界比例比a要小。d试样优化效果更加明显。 c与f相比，c试样晶粒尺寸比f大，且一般晶界比例比a要小。c试样优化效果更加明显。（变成试样编号！） （2）形变后晶粒尺寸 表3-1，形变后晶粒尺寸 变形量 退火2h 退火6h 退火24h 2.5% 75μm — 300μm 4.5% 320μm 250μm 200μm 由上表可得出：2.5%变形量的试样随着退火时间的增长，晶粒尺寸增大；4.5%变形量的试样随着退火时间的增长，晶粒尺寸减小。 3. 2.3形变热处理后后特征晶界分析 为了更好地讨论在“晶界工程”处理前后316L不锈钢奥氏体的晶界腐蚀性能，我们对各组样品进行比较，主要是在特殊晶界比例、一般晶界网络比例等多方面进行比较讨论。 经过EBSD测试，各种数据都能够通过运算得出。整理各类数据，通过图形、表格直观地表达出样品的晶界特征。在各方面数据中主要，提取特殊晶界的分布特征、特殊晶界比例以及特殊晶界中∑3、∑9、∑27的比例。特殊晶界分布密集比例越高，不锈钢抗腐蚀性越强；晶簇越大一般晶界比例越小，不锈钢抗腐蚀性越强。从以上几方面入手，对比不同变形量和退火时间条件下，得出优化效果的变化规律。 a316L-2.5%-1000℃-2h a＇316L-2.5%-1000℃-2h b 316L-2.5%-1000℃-24h b＇316L-2.5%-1000℃-24h c 316L-4.5%-1000℃-2h c＇316L-4.5%-1000℃-2h d 316L-4.5%-1000℃-6h d＇316L-4.5%-1000℃-6h e 316L-4.5%-1000℃-24h e＇316L-4.5%-1000℃-24h 图3-4，GBCD优化后特殊晶界分布。a～e分别为晶界重构图，其中黑色线条为一般大角度晶界，灰色为特殊晶界；a＇～e＇分别为特殊晶界重构图，显示了Σ3、Σ9和Σ27等特殊晶界的分布密度 直观观察，2.5%变形量的试样：退火24小时的试样比退火2小时的试样，晶簇尺寸明显要大，一般晶界比例小特殊晶界比例大，因此优化效果更好；4.5%变形量的试样：退火2小时→退火6小时→退火24小时，在这个过程中，晶簇晶粒减小，一般晶界比例逐渐变大，特殊晶界比例逐渐减小，因此优化效果逐渐变差。 要想进一步，确定我们推出的结论，必须通过计算准确得出各个数据的准确值。因此，要做好以下几部分工作。 a316L-2.5%-1000℃-2h b 316L-2.5%-1000℃-24h c 316L-4.5%-1000℃-2h d 316L-4.5%-1000℃-6h e 316L-4.5%-1000℃-24h 图3-5 试样的晶界取向差分布图 2.5%变形量试样：a→b，Σ3比例不断增大；Σ9、Σ27与Σ3比例变化规律相反，比例不断减小。4.5%变形量试样：c→d→e，Σ3比例不断增大；Σ9、Σ27与Σ3比例变化规律相反，比例不断减小。 从这个规律可以得出，在一定范围内随退火时间增长，Σ3比例不断增大，而Σ9、Σ27比例不断减小。 特殊晶界的比例 2.5%变形量样品 特殊晶界比例 4.5%变形量样品 特殊晶界比例 退火2h 48% 退火2h 75% 退火6h — 退火6h 60% 退火24h 58% 退火24h 60% 表3-4，试样特殊晶界的比例 主要特殊晶界（Σ3、Σ9、Σ27a、Σ27b）的分布图 样品 Σ3 Σ9 Σ27 Other low ∑CSL 退火2h 42% 1.7% 0.3% 4% 退火6h — — — — 退火24h 56% 0.1% 0.02% 1.88% 2.5%变形量试样 样品 Σ3 Σ9 Σ27 Other low ∑CSL 退火2h 65% 6.7% 2.5% 0.8% 退火6h 53% 4.5% 1.2% 1.3% 退火24h 52% 5% 1.5% 1.5% 4.5%变形量试样 表3-5，试样主要特殊晶界的比例 图3-6，试样特殊晶界分布情况 图3-4分别给出了经优化的2.5%变形量退火2h、2.5%变形量退火24h、4.5%变形量退火2h、4.5%变形量退火6h、4.5%变形量退火24h样品的晶界重构图及特殊晶界重构图。图中显示了样品一般大角度晶界网络连通情况和特殊晶界分布情况。有图3-4可见，3-4a所对应的2.5%变形量退火2h样品晶粒细小，黑色的一般大角度晶界密集且网络连通性完整，而灰色的特殊晶界数量非常少，基本上不能起到打断一般大角度晶界的目的。而3-4b图对应的优化分布的2.5%变形量退火24h样品中特殊晶界数量明显增多，分布均匀，并可在一定程度上有效地打断一般大角度晶界的网络连通性，优化效果明显优2.5%变形量退火2h样品。对应于表3-4发现，2.5%变形量退火2h样品和2.5%变形量退火24h样品中的特殊晶界比例分别为48%和58%。有图3-4可见，3-4c所对应的4.5%变形量退火2h样品晶粒粗大，黑色的一般大角度晶界密集且网络连通性不完整，而灰色的特殊晶界数量非常多，基本上达到了打断了一般大角度晶界的目的。而3-4d图和3-4e图对应的优化分布的4.5%变形量退火6h样品、4.5%变形量退火24h样品中特殊晶界数量减少，没有有效地打断一般大角度晶界的网络连通性。对应于表3-4发现4.5%变形量退火2h样品、4.5%变形量退火6h样品和4.5%变形量退火24h样品中的特殊晶界比例分别为75%、60%和60%。因此，优化效果明显差于4.5%变形量退火2h样品。 综合图3-4和表3-4数据我们发现，经不同处理过的试样的特殊晶界数量不同，优化效果最好的样品是4.5%变形量退火2h样品。另外，图3-5示出了 五个样品的小角度晶界取向差分布，分析得出，五个样品都发生了不同程度的再结晶，使得它们的晶界优化分布与小角度晶界取向差分布是相关的。 3.3硬度变化 根据再结晶理论，冷变形金属在加热时会依次经历回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。从力学性能上看，回复阶段中，加工硬化现象会部分消失，力学性能会部分恢复到变形前的状态，而经历再结晶阶段后，加工硬化现象会全部消失，金属的力学性能可完全恢复到变形前的状态。由于硬度值的测量较方便，下面我们以硬度值作为力学性能的指标对此过程进行研究。 时间 硬度值（HV） 平均值 2h 130 141 141 135 130 135.4 6h 118 124 120 120 125 121.4 24h 116 113 123 113 110 115 表3-2 316L2.5%变形1000℃退火的硬度 由表可以得出，2.5%变形量试样，随着退火时间的增长，硬度不断减小。这是由于，退火时间不断增长，再结晶时间也相应增长，加工硬化逐渐消失，导致硬度不断减小。 时间 硬度值（HV） 平均值 2h 144 143 149 140 142 143.6 6h 137 136 144 136 140 138.6 24h 129 129 131 132 130 130.2 表3-3 316L4.5%变形1000℃退火的硬度 由表可以得出，4.5%变形量试样，随着退火时间的增长，硬度不断减小。这是由于，退火时间不断增长，再结晶时间也相应增长，加工硬化逐渐消失，导致硬度不断减小。规律与2.5%变形量的相同。 结 论 4．1变形量对轧制退火后316L不锈钢特殊晶界比例的影响 通过本次实验研究可以观察到，316L奥氏体不锈钢的初始晶粒尺寸在35μm左右，经过轧制退火的处理后，Σ3晶界的比例都比处理前有明显的增加，而且随着变形量增加呈现增加的趋势，Σ3晶界的比例随变形量呈现出先增后趋于平缓的趋势。Σ9和Σ27晶界的比例也比轧制退火前有很大的增加，轧制退火后的比例都随着变形量的增加而增加。Σ9和Σ27晶界的比例和Σ3晶界的比例变化规律不相同，可能是和共格Σ3晶界的比例有关，若是共格Σ3晶界较多则不易派生出Σ9和Σ27晶界，若非共格Σ3晶界较多则较易派生出Σ9和Σ27晶界。在本实验中，变形量增大时，虽然Σ3晶界的比例略有降低，但是Σ9和Σ27晶界的比例却是升高的，这便有可能是非共格Σ3晶界的比例增加了。 4．2退火时间对轧制退火后316L不锈钢团簇的影响 团簇（Cluster） 4．3退火时间对轧制退火后316L不锈钢特殊晶界比例的影响 2.5%试样：退火2h→退火24h，特殊晶界比例增大。4.5%试样：退火2h→退火6h→退火24h，特殊晶界比例减小。4.5%变形量试样与2.5%变形量试样相比，由于变形量的增大储能相应增多。试样中的储能在变化过程中，消耗特殊晶界。因此，4.5%变形量试样的最佳优化临界值对应退火时间，要比4.5%变形量试样的对应值要小。在晶界工程过程中，要达到最佳的优化效果必须掌握好这个退火时间临界值。 4．4补充和改进 在本次实验中，我们发现了316L不锈钢轧制退火后的晶界特征分布状况同钢的变形量和退火时间有一定的对应关系。在一定范围内，316L不锈钢随着变形量的不断增大而优化效果变好。同时，在一定范围内，316L不锈钢随着退火时间的不断增长而优化效果变好。我们所观察的5个不同处理的试样是按照这个趋势变化的。就代表性而言，5个试样是有一定的代表性，但不能够完全反映晶界特征分布的变化规律。为了进一步反映详细规律，可以另外多加几个试样，在较小的间隔内更为细致精确地确定究竟在哪个范围内316L不锈钢的轧制退火后的晶界特征分布状况是最优的。这样既可以使得晶界特征分布优化效果最好，同时保证晶粒尺寸不会影响钢的力学性能。 参考文献[1] 张德康. 不锈钢局部腐蚀[M ]. 北京:科学出版社, 1982 [2] 朱日彰等. 金属腐蚀学[M ]. 北京:冶金工业出版社, 1989 [3] 何业东等. 材料腐蚀与防护概论[M ]. 北京:机械工业出版社,2005 [4] 魏宝明. 金属腐蚀理论及应用[M ]. 北京:化学工业出版社,1984 [5] 岳睿,潘祖军,李艳,等. 不锈钢的腐蚀分析[ J ]. 金属世界, 2006 (3) : 28 - 29. 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