浙江至德鋼業有限公司通過壓力機和手動軋制機對非自耗真空電弧爐熔煉制備的鋁的質量分數為0%、2%、4%的310S不銹鋼管在950～1250℃進行開坯軋制，研究不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃下的高溫拉伸性能，用SEM觀察拉伸斷口。結果表明：不含鋁和鋁的質量分數為2%的合金，它們的高溫抗拉強度均為210MPa左右，但當鋁的質量分數增加到4%時，合金的熱強性顯著提高。3種合金拉伸斷面均可以看到大小明顯不同的顯微韌窩，合金在斷裂前經歷了比較大的塑性變形，所以均為韌性沿晶斷裂。隨鋁含量的增加，合金斷口中的顯微韌窩所占的比例隨之增加。

  310S不銹鋼管是鉻的質量分數為25%，鎳的質量分數為20%的高鉻-鎳奧氏體耐熱不銹鋼管，是具有比較好的應用前景的耐熱不銹鋼管。在高溫氧化環境中具有良好的高溫力學性能，同時具有優良的耐蝕性，因此常用于爐管材料、石油化工、化肥廠轉化爐。高溫合金的強化方式有奧氏體的固溶強化、晶界強化以及第二相強化。在鐵-鉻-鎳合金中加鋁、鈦、鈮、鉭等元素，引起晶格點陣的畸變，增強了固溶體原子鍵引力，也能夠提高再結晶溫度和延緩再結晶過程的進行。從而提高合金的高溫性能，在鎳基高溫合金中已得到大量應用。鋁與鐵、鎳發生反應形成熱力學穩定而且有序的金屬間化合物，能夠阻止位錯的滑移和攀移。并且由于鍵的結合力比較強以及原子排列復雜，使得該合金具有低自擴散系數，能獲得比較高的變形抗力，從而具有比較高的高溫強度。加入這些微量元素吸附在晶界附近造成局部合金化，改善晶界性質，減緩了合金元素沿晶界擴散的過程，阻止了晶界上碳化物相和空穴的凝聚和長大，強化了晶界。

  奧氏體耐熱不銹鋼管的抗氧化性與其表面生成的氧化膜有很大的關系。奧氏體耐熱不銹鋼管中加入適量鋁元素，使鋼表面氧化膜的組成以三氧化二鉻為主向三氧化二鋁轉變。對鐵-鉻-鎳-鋁金的研究表明，三氧化二鋁膜穩定性好、結合能力強、致密性好、耐高溫、生長緩慢。在高溫和腐蝕性環境下，對材料本身具有長時間的保護作用，從而大大改善了合金的抗氧化性。為了獲得足夠的鋁的氧化膜，必須有足夠的鋁加入，而且隨著溫度的升高、使用時間的延長以及環境的影響（如水蒸氣氛圍的變化、加載力的增大等），鋁的加入量也要求相應增加。對于不同的使用材料，要根據其使用環境和使用壽命加入適量的元素。前期本課題組研究了鋁元素對鑄態310S不銹鋼管的壓縮性能和熱軋態組織的影響及其作用機制和高溫抗氧化性能的影響。

  浙江至德鋼業有限公司研究了不同鋁含量的310S不銹鋼管的高溫拉伸性能，揭示鋁元素對高溫拉伸性能的影響規律及作用機制，為含鋁的310S不銹鋼管的研究和制備提供理論依據。

一、試驗過程

  按表設計的成分稱取各種元素的粉末。放入行星式球磨機中進行混合，用三氧化二鋁陶瓷球作為球磨介質，球磨機轉速在每分鐘150轉左右，混合8小時。把混合均勻以后的粉末在鋼模中用壓力機壓成20ｍｍ×50ｍｍ圓柱，熔煉電流為250Ａ，用氬氣氣氛對爐內樣品進行保護，將壓成的圓柱放在非自耗真空電弧中進行熔煉。熔煉的鋼液在用水冷卻的銅坩堝中保溫2分鐘以后立即關閉電弧，在銅模中凝固，合金重熔4～6次，經過幾次重熔以后，使其組織的致密和元素分布均勻。

  將熔煉好的合金塊狀固體打磨掉表面氧化皮、缺陷。在爐中的保溫時間為30～40分鐘，用千斤頂配套特制夾具進行熱壓開坯，開坯溫度為1200℃，開坯壓力為60～80 MPa，進行8～10道次的熱壓開坯，開坯變形量約為60%。

  開坯以后的試樣用線切割加工成30ｍｍ×30ｍｍ×4ｍｍ的塊狀材料，采用手動軋制機進行高溫軋制；試樣軋制溫度為1200℃，爐內保溫時間5分鐘，軋制道次16～20道次，軋制以后總的變形量約為40％，也就是厚度為3ｍｍ的板材試樣。在軋制結束以后，各合金在400℃下保溫2小時，去應力退火，目的是為消除試樣開坯和軋制過程中產生的內應力。利用電子探針對3號合金各元素進行分析，結果如表所示。1號和2號合金除了鋁元素的含量不同，其他元素的含量不變。

 參照《金屬材料高溫拉伸試驗》國家標準的技術要求，將不同鋁含量的310S不銹鋼管加工成圖所示的高溫拉伸試樣。用島津試驗機做高溫拉伸試驗，最大載荷100KN，拉伸速度0.3mm/min，拉伸溫度800℃。每個參數的合金進行3次拉伸測試，根據載荷－位移曲線計算出相應的應力和應變值，求其平均值，得出應力－應變（σ－ε）曲線。根據繪制出的σ－ε曲線，確定出每種合金成分的屈服強度、抗拉強度以及伸長率。利用掃描電子顯微鏡對各斷口的形貌進行觀察。

二、試驗結果

  1. 高溫拉伸性能

  圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃時的應力－應變曲線。可以看出，各合金均具有良好的塑性變形特征。不含鋁和鋁的質量分數為2％的合金的高溫強度明顯低于鋁的質量分數為4％的合金，而伸長率大大高于后者。

  圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃下的屈服強度和抗拉強度。不含鋁和鋁的質量分數為2％的310S不銹鋼管在800℃下的屈服強度相近，分別為163和162MPa。當鋁的質量分數增加到4%時，合金的高溫屈服強度顯著提高，為229MPa。不含鋁和鋁的質量分數為２％的310S不銹鋼管在８００℃下的抗拉強度基本不變，分別為213和210 MPa。當鋁的質量分數增加到4%時，合金的抗拉強度增加，為273MPa。由此可以看出，鋁的質量分數不大于2%時，對合金的高溫強度影響不大，隨著鋁含量的繼續增加，合金的高溫強度顯著提高。

  圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管在800℃下的伸長率。隨著鋁含量的增加，合金的伸長率先升高后降低，鋁的質量分數為2%時具有最大的伸長率，為35%。不含鋁和鋁的質量分數為4%的合金，其伸長率分別為28.2%和25.5%。上述結果表明，鋁的質量分數為2%能夠使310S不銹鋼管的高溫塑性提高，但是不利于高溫抗蠕變性能，而鋁的質量分數為4%有利于高溫抗蠕變性能的提高。

 2. 高溫拉伸斷口的形貌觀察

 圖為不同鋁含量的310S不銹鋼管800℃拉伸后的斷口形貌。可以看出，3種合金的晶界上均可以看到明顯的顯微韌窩，且合金在斷裂前經歷了較大的塑性變形，3種合金的高溫斷裂方式均為沿晶韌性斷裂。

三、討論

 鋁元素加入以后，在鑄態下，鋁原子固溶在其奧氏體基體中。基體上只有少量的三碳化七鉻的析出物，并沒有發生鋁元素的富集現象，從而可以看出在鑄態時沒有形成三碳化四鋁的析出物。當把試件進行高溫下開坯、軋制以后，晶格發生嚴重畸變，鋁原子在奧氏體基體中的溶解度隨之降低，多余的鋁原子從基體中析出來。由于310S不銹鋼管中鋁的質量分數為20%左右，相對較低，鋁原子容易與碳原子結合，沒有形成（鐵，鎳）鋁金屬間化合物，而是以富鋁的顆粒狀三碳化四鋁相析出。以前的研究表明，鋁元素的含量越高，富集現象越嚴重。由于形成了三碳化四鋁的析出物，從而大大降低了形成析出物三碳化七鉻可支配的碳原子個數。從顯微組織中，可以看到3種合金的組織致密，元素分布均勻。