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概述
304钢是18-8型奥氏体不锈钢 ，密度7.93g/cm3，含碳量约0.07％，是目前世界上使用最为广泛的钢种之一，广泛应用于医疗、汽车、建筑、锅炉、电器、家用器具、锅炉等各个领域。该材料具有一定的防污染、抗氧化、高强度、低温耐受性、耐腐蚀性，耐热性、抗冲压、弯曲及易加工和切削等性能优点，此外，具有良好的热成型能力、外观精美、容易清洁、重量较其他金属低，且无热处理硬化现象。304奥氏体不锈钢种类和形状较多，其中最常见的有304L奥氏体不锈钢、304H奥氏体不锈钢和304奥氏体不锈钢等；形状包括条形、钢板、卷筒形、片状，通常用于设备和器具制造，但是不限于食品、医疗、工具，目前在压力容器中得到了最广泛的应用。
304钢市场竞争力优势突出，其防锈性能强的特点优于200系列的所有不锈钢材料，耐高温和低温性能良好，使用温度可达到-196 ～800℃ 的极限温度；对酸性溶液，如浓度为60％ 以上的硝酸等具有较强的耐腐蚀性能，对碱性溶液及有机酸和无机酸溶液均具有较高的耐腐蚀性能。此外，该钢的性价比低于类似特性的316系列钢价格。在市场上，常见的标识及标注方法有06Cr19Ni10、SUS304及304， 其中SUS304为日本标注，304 一般为ASMT标准中标注。
304钢被称为18-8型奥氏体不锈钢，是由于304不锈钢含有18％ Cr 和8％Ni，304钢是组织稳定的奥氏体钢种，该钢良好的焊接性能及抗耐蚀性能使其应用越发广泛。因此，本文针对钢在不同热处理温度下研究固溶处理对材料的微观组织结构及材料性能产生的影响，为304钢在冷加工下硬化分析研究中奠定了研究基础和方向。超临界和超超临界机组是未来我国火力发电机组发展的趋势，而高温部件材料的研制是制约超临界和超超临界机组发展的关键因素之一，日本和欧洲等发达国家在蒸汽温度650 ℃ 的汽轮机发电机组方面取得了领先水平，主要通过化学成分提高高温材料性能的组织稳定性和高温部件材料的疲劳性能，又通过降低钢种非金属加杂物提高钢纯净度的方法以提高材料的高温综合性能。从国内能源结构出发，超临界和超超临界相关技术和应用在未来发展中将成为火电行业
中的技术发展趋势，提高材料高温性能的稳定性和晶粒度均匀性是有效提高材料高温抗蠕变和高温热强性的重要手段，保证材料的高温使用性能。
试验材料和过程
试验试料选用真空感应炉（ZG-10）熔炼的钢锭，所用钢锭规格为?250? 1000ｍｍ，试验中使用的钢锭的主要化学成分对照GB/T1220-2007标准，钢锭中化学成分详见表１。
试验钢锭经1200℃ ?2ｈ 保温后，由500kg锻锤成型为?50?800ｍｍ 试验用料，真空钢锭始锻温度采用1200℃ 左右，终锻控制在850℃ 温度范围内，热成型的试验用料锻造完成后采取空冷方式冷却。随后将试验所需的圆钢用线切割的方式等分，对试验中使用的圆钢采取不同的奥氏体化温度完成固溶热处理实验，热处理制度见表２。
不同圆钢在试验过程中，经过完全不同的固溶化热处理后，从试验1～ ４坯料上各自切取试样，用于微观组织观测的金相检验试样规格采用20 ｍｍ ?20 ｍｍ ?20ｍｍ 的尺寸，选用BX61-32FA1-S09型光学用的显微镜组织进行微观观察，机械性能试验使用的试验样品尺寸为10ｍｍ，其标距50ｍｍ，通过电子万能拉伸机进行试验。
试验结果分析
试验得到的组织微观情况如图1所示。图1为304材质试样在不同热处理温度下进行固溶处理的微观组织图，分别对应1020℃ ?2ｈ、1040 ℃ ?2ｈ、1060 ℃ ?2ｈ、1080 ℃ ?2ｈ 水冷固溶处理圆钢的试验结果。由图1可以看出，随着奥氏体化固溶温度不断升高，试样的微观组织晶粒度尺寸逐渐变大，试样1～4 在不同奥氏体化温度固溶热处理后，其微观组织中试样1～4的晶粒度级别分别对应为No.5、3.5、2.5、2。出现该情况的主要原因是赋予试样的驱动能不同，当试样1、2选择固溶温度较低的奥氏体化固溶处理时，原子固溶体晶体内的C和Cr等原子获得的驱动能促使原子发生迁移并伴随着原子的转移，该过程固溶体的晶格趋势发生一些变化，晶格扭曲状态逐步恢复为面心的立方晶格结构，晶界自由能降低，形成包含较多低位错的球状晶粒。随着试样3、4 奥氏体化温度固溶温度的不断提高，外界驱动能的增加使得固溶体内晶界不断地发生迁移，并不断吞并和扩张，晶界面积逐渐变小，最终展现出晶粒尺寸较大，晶粒度粗化的现象。
表３为棒料经过不同奥氏体化温度固溶热处理所得到的力学拉伸性能。可以看出，试样1～4由于不同热处理制度而表现不同的性能差异，材料的力学拉伸性能呈现出一定的变化趋势，屈服强度和抗拉强度随着奥氏体固溶温度提高，其数值呈不断下降趋势；这是由于固溶热处理温度逐渐提高，材料内部先发生恢复再结晶，锻造破碎形成的晶粒逐步球化，界面不断降低，完成晶粒恢复和形核扩大的过程。试样1、2的热处理温度较其他试样时选择的奥氏体化固溶温度偏低，因此试样微观组织中晶粒尺寸细小，仅发生了形核和晶界扩张过程；与试样３、４相比，其晶界面积较大，位错密度较多，错位经过不断的攀移过程，在晶界处塞积；位错强化效果体现在材料的屈服强度性能指标上，其位错密度的增加造成材料晶界应力易集中，形成晶界应力场，从而材料韧性下降，材料延伸率和面缩较低。随着试样３、４的奥氏体化固溶温度持续提高，试样的金相微观组织中显示其晶粒尺寸发生粗化；随着固溶温度增加，原子活跃度提高，原子迁移能力增加，位错密度随固溶温度不断降低，细小晶粒逐步变为低位错密度的球状大尺寸晶粒，材料在固溶温度提升时位错密度的降低导致了材料逐步软化，使得304钢在承载外界牵引拉应力载荷时，材料抵抗塑性变形能力降低，进而屈服强度随奥氏体化固溶温度升高而降低。此外，随着试验固溶温度的变化，304钢晶粒度尺寸逐步粗化，晶界面积随温度的升而逐渐减小，晶间结合力降低，裂纹的产生和扩展更易发生；当承受外界牵引拉应力载荷时，材料单位面积内承受的应力易形成应力集中，导致材料断裂强度逐渐下降，进而展现出如表３ 所示的宏观力学性能。
结束语
选用不同试验温度对不锈钢304进行了固溶热处理试验，在不同实验条件下，采用1040 ℃ 温度固溶处理304钢材料表现出较好的微观金相组织，晶粒度尺寸较小，力学性能相对稳定；随着奥氏体化固溶温度不断提高，驱动能增加，材料内部位错密度降低，304钢微观晶粒度尺寸变粗、晶界面积减少，抵抗塑性变形能力降低，304钢的屈服强度和抗拉强度均呈不同程度的降低趋势。
作者：文/中国核电工程有限公司●房永顺
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