1、 2023 年 第 4 期Pipeline Technique and Equipment11 收稿日期:2022-05-13波纹管成型用薄板在不同热处理条件下组织和性能研究李晓旭1,付 饶2(1.中国科学院金属研究所,辽宁沈阳 110016;2.沈阳国仪检测技术有限公司,辽宁沈阳 110043)摘要:文中对波纹管用薄板进行了 20%、40%和 60%的预伸长后,分别进行了 600 和 900 的热处理。结合上述性能测试结果和波纹管成型时的形变量,选取 20%和 25%的变形后,分别进行 750 和 850 的热处理,并测试其性能和显微组织。随着预伸长量的增加,晶粒碎化,马氏体增加,其强度升高
2、,塑性下降;随着热处理温度的升高,形变储能、内应力和马氏体都随之减少,900 热处理后,强度出现明显下降,塑性改善。20%和 25%的变形后,分别进行 750 和 850 的热处理后,实现了细晶强化,其强度高,塑性好,性能较优。关键词:波纹管;预伸长;热处理;显微组织;力学性能中图分类号:TE8 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2023)04-0011-07Study on Microstructure and Properties of Sheet for Bellows CorrugationUnder Different Heat Treatment ConditionsL
3、I Xiaoxu1,FU Rao2(1.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.Guoyi Testing Technology(Shenyang)Co.,Ltd.,Shenyang 110043,China)Abstract:After conducting pre-elongation of 20%、40%and 60%for bellows sheet in this paper,heat-treatment was carried on at 600 and 900
4、respectively.Combined with above performance test results and the deformation of the bellows,20%and 25%of the deformed bellows were selected for heat treatment at 750 and 850 respectively,and the properties and mi-crostructure were tested.With the increasing of pre-elongation,the grain fragmentation
5、 and martensite increased.The values of strength increased,but the plasticity decreased.As heat treatment temperature increased,the deformation energy storage,inter-nal stress and martensite all decreased.After the heat treatment at 900,the values of strength dropped obviously and plasticity improve
6、d.After the deformation of 20%and 25%,grain strengthening was realized,high strength and good plasticity were ob-tained under 750 and 850 heat treatment respectively,and the performance is good.Keywords:bellows;pre-elongation;heat treatment;microscopic structure;mechanical properties0 引言金属波纹管既有弹性特征又
7、有密封特性,在外力及力矩作用下能产生轴向、侧向、角向及其组合位移,密封性能好1,同时还有吸振、降噪、热补偿及隔离介质作用,在仪表、机械、电力、石油、化工、冶金、热力、船舶、航天、航空等领域均有十分重要的应用。随着不锈钢行业的发展,薄板和极薄板的成型和焊接受到广泛的重视2。在波纹管设计制造时,选择的材料多薄板或者极薄板不锈钢,以无磁性面心立方的奥氏体不锈钢为主。奥氏体不锈钢是以铬、镍为主要合金元素、溶在-Fe 中的一类间隙固溶体,并克服马氏体不锈钢耐蚀性不足和铁素体不锈钢脆性过大而发展过来的,由于具有无磁性,良好的焊接性能及抗蚀性能,目前成为产量、用量大,型号多的一种不锈钢3。奥氏体不锈钢本身强
8、度较低,通过热处理不能使之强化,仅能通过冷加工进行强化,但是这会在组 12 第 4 期织中造成很多缺陷,降低材料加工性能,增大后续加工过程中的开裂倾向,因此在其使用前必须进行退火处理4。为了提高 304 不锈钢的综合性能,有必要寻找能够细化其晶粒的工艺。因此,形变热处理是其唯一的强化手段5-6。奥氏体不锈钢常用的热处理工艺有:再结晶退火处理、固溶处理、稳定化处理和去应力处理等。波纹管成形方式多样,包括液压成形、机械胀形、橡胶成形、旋压成形、焊接成形、滚压成形和电沉积成形等7,其中机械胀形工艺具有效率高、成型的波纹管力学性能好等优点;液压成形尺寸控制精度高,成形能力强,有厚壁成形能力,已成为金属
9、波纹管精确塑性成形的重要方式8。使用各种成形方式,都会产生一定的变形,变形量的大小会对波纹管的性能产生一定的影响,尤其在波纹管的波峰处,会存在一些弱磁性,原因是由于发生了形变诱发马氏体相变。马氏体是一种非平衡组织,与奥氏体相比,强度高,但耐蚀性差。本文针对这一问题,研究奥氏体不锈钢经不同的伸长量拉伸和不同温度的热处理后,材料的显微组织和力学性能的变化,对后续波纹管的设计、成形和热处理提供参考。1 检验/试验分析1.1 化学成分分析本 试 验 所 用 奥 氏 体 不 锈 钢 薄 板 牌 号 为06Cr19Ni10(304),热处理状态为固溶态,使用全谱直读式光谱仪(FOUNDRY MASTER
10、PRO),标样为 304(YSBS20310-4-2006),将待测试的样品进行化学成分分析,其光谱成分检测结果如表 1 所示。304 薄板的化学成分符合 GB/T 32802015 标准要求。表 1 光谱化学成分检测结果%CSiMnPSCrNiN3040.0670.421.150.0420.005 218.588.130.045标样标准值0.0380.5870.9020.0360.005 517.408.300.014标样实测值0.0380.580.900.0350.005 217.418.300.014GB/T 32802015 0.070.752.00 0.045 0.03017.501
11、9.508.0010.500.101.2 拉伸试验 对待测样品进行拉伸试样切割及拉伸试验,设备为 10 t 电子万能试验机,型号 GP-TS2000M。首先分别对样品进行 20%、40%及 60%的预伸长,进行了 600 和 900 的热处理后,对不同状态下的样品分别进行力学性能检测,具体的检测结果见表 2(后称第一组态)。一般波纹管的成型后波峰处的形变量小于 25%,且在 900 的热处理后,强度会大幅度下降,综上分别选取 20%和 25%预伸长,分别进行了 750 和 850 的热处理(后称第二组态),以寻找出最优性能。不同状态下的拉伸试验中强度均符合 GB/T 32802015 标准要求
12、,部分断后伸长率未能符合标准要求,曲线均无明显的屈服平台,呈连续屈服特征。表 2 不同状态下的拉伸试验结果拉伸试验抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率/%原始态78640969.5原始态+20%94369842.5原始态+40%1 07691325.5原始态+60%1 1311 06510.0原始态+20%+600 94074041.0原始态+20%+750 89349752.5原始态+20%+850 81342957.0原始态+25%+750 95058353.0原始态+25%+850 83143167.0原始态+40%+600 1 02486023.5原始态+60%+600 1 12
13、81 0258.5原始态+20%+900 79741672.0原始态+40%+900 81141885.5原始态+60%+900 83644552.0GB/T 32802015 固溶态51520540从图 1 图 3 可以看出,在第一组态下,随着伸长量的增大,材料的抗拉强度和屈服强度在逐渐升高,而断后伸长率在逐渐变小。这是由于 304 不锈钢冷轧变形后,亚稳奥氏体组织在塑性变形中发生应变诱发马氏体相变形变诱发马氏体相变9,马氏体为板条状,相当于把基体分成若干区,阻碍位错滑移,缩短位错运动的自由程。还产生大量的位错、形变孪晶等,位错在晶体中的运动阻力表现为强度,形变孪晶可以分割组织,起到阻碍位错
14、运动的作用,所以其塑性变形后具有较高的抗拉强度、屈服强度,但是塑性较差,也就冷作硬化使奥氏体材料得到强化,并降低了塑性。第 4 期李晓旭等:波纹管成型用薄板在不同热处理条件下组织和性能研究13 图 1 伸长量为20%和不同热处理后的应力应变曲线(第一组态)图 2 伸长量为40%和不同热处理后的应力应变曲线(第一组态)图 3 伸长量为60%和不同热处理后的应力应变曲线(第一组态)另一方面,在相同的伸长量下,进行 600 热处理后,抗拉强度有小幅度降低,塑性变好,但不明显,因为此温度阶段为回复阶段,仍然存在大量的形变储能、位错、形变孪晶、马氏体等;进行 900 热处理后,抗拉强度和屈服强度出现大幅
15、度的下降,塑性得到大幅的提升,此阶段组织变得均匀,是因为此阶段是材料的再结晶阶段,再结晶晶粒形核在晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带,同时内应力、形变储能和位错密度急速下降,由于马氏体会向奥氏体发生转变,所以抗拉强度和屈服强度会大幅度下降,但是细化了晶粒,其强度仍高于原始态材料的强度,接近固溶态。图 4 是第二组态的性能结果,此状态下材料的强度较高,塑性较好,综合性能较优。图 4 伸长量分别为 20%和 25%,热处理温度在 750 和 850 下的应力应变曲线(第二组态)1.3 显微组织1.3.1 拉伸断口处显微组织对本试验第一组态下的各个样品拉伸断口处的显微组织进行观察和研究,试样磨
16、抛后使用 FeCl3盐酸溶液进行腐蚀。原始态未变形样品的显微组织如图 5(a)所示。其组织主要由奥氏体和少量的铁素体组成,组织均匀,晶粒尺寸约为 1627 m,晶粒度为 7 级以上。拉伸断口处显微组织如图 5(b)所示,断口处的组织晶粒已经沿着拉伸变形方向被拉长、细化,并生成一定量的马氏体。图6 为原始态在不同伸长量下拉伸断口处的显微组织,从图中可以看出,随着伸长量的逐渐增大,加工硬化的程度逐渐增大,晶粒碎化更明显。图 7为原始态在不同伸长量下,600 热处理后拉伸断口处的显微组织。与图 6 中相同的伸长量下,未进行热处理的组织相比较,无太大变化。由于 600 属于回复去应力阶段,只是内部组织中会减少小部分的位错、层错及马氏体。图 8 为原始态在不同伸长量下,900 热处理后拉伸断口处的显微组织。此温度下,已经发生明显的再结晶,晶粒的尺寸要远小于未进行热处理或者 600 的热处理下的晶粒,且由于马氏体 14 第 4 期相变的可逆性,组织中的层错、位错、形变孪晶和马氏体等均消失,同时晶粒得到了细化。(a)原始态未变形样品的显微组织(b)原始态拉伸断口处的显微组织图 5 原始态未变形样品和
