摘要：研究了退火处理工艺对304不锈钢组织和硬度、抗拉强度和延伸率等力学性能的影响，为热线生产提供一定的数据支持。

关键字：304不锈钢；退火处理；力学性能

一 引言

不锈钢通常是指铬含量（质量分数）在12～30%的铁基耐蚀合金。通常将在大气、水蒸气和淡水等腐蚀性较弱的介质中不生锈的钢种称为不锈钢，将在酸、碱、盐等腐蚀性较强的环境中具有耐蚀性的钢种称为耐酸钢。一般通称不锈钢和耐酸钢为不锈钢，是类型多、含碳量高、强度范围宽及用途广的高合金钢。不锈钢既是抗蚀材料，又是耐磨材料、低温材料、无磁材料和耐热材料。在冷加工的工序中，若制件出现加工硬化、可加工性变坏的现象，必须采用退火的热处理方法消除冷作硬化，使组织均匀和软化、硬度降低、可压力加工性改善。本文主要研究退火对不锈钢组织和性能的影响。

二  304奥氏体不锈钢热处理

1、热处理对304不锈钢组织的影响

304 不锈钢是一种 18-8 系的奥氏体不锈钢。该钢薄板材料冷加工以后，从微观角度看，滑移面及晶界上将产生大量位错，致使点阵产生畸变。变形量越大时，位错密度越高，内应力及点阵畸变越严重，使其强度随变形而增加，塑性降低(即加工硬化现象)。当加工硬化达到一定程度时，20辊轧机进行轧制时，便有开裂或断带的危险；在环境气氛作用下，放置一段时间后，工件会自动产生晶间开裂(通常称为“季裂”)。所以 304不锈钢在冲压成形过程中，一般都必须进行工序间的软化退火(即中间退火)，以降低硬度，恢复塑性，以便能进行下一道加工。为了选择其最佳的中间退火工艺，必须对其加工硬化和退火软化的规律和机理进行深入的研究。在室温下304不锈钢中碳的溶解度很小，溶解度约0.006%。随碳含量的增加，多余的碳以铬-铁碳化物的形式(主要是M23C6,也有少量的以 M7C3或 M3C)析出。碳化物中 M23C6和 M7C3中铬含量约为42%~65%，与不锈钢的基体成分相比，碳化物中铬的含量远大于基体中铬的含量[1]。这样，碳化物的析出就易引起奥氏体不锈钢晶界贫铬，从而导致晶间腐蚀的发生。传统的奥氏体不锈钢使用前通常在 1050~1150℃之间进行固溶退火，使析出的碳化物被重新固溶,然后快速冷却到室温。由于冷速较快,固溶的碳来不及与其它合金元素结合析出，以此提高其耐晶间腐蚀性能。不同温度、不同拉伸形变量与马氏体含量的关系，室温下(25℃)形变量小于 10%时，304 不锈钢仅有少量的马氏体相变，当形变量在 10％~40%之间时，马氏体含量随形变量的增大而增加得较快，马氏体含量由 0.7 增至 6.8。低温下(-70℃)马氏体转变随拉伸形变量增大而变化较大，形变量在 6%以上时，马氏体含量就开始迅速增加，形变量为 20%时，马氏体相变已达到 22%．同一形变量低温时产生的马氏体量要比室温时高得多，可见低温有利于形变诱发马氏体相变，材料经180℃下拉伸后，其马氏体含量没有变化，说明在这个温度下拉伸，304 不锈钢不会产生形变诱发的马氏体相变。

为了提高304奥氏体不锈钢的冷加工性能，防止该种钢在加工过程中产生开裂，使加工硬化得到软化，以便进一步变形，以及要得到好的耐腐蚀性，必须对该不锈钢的成品或半成品进行适当的热处理，在不锈钢热线我们采用退火处理。

奥氏体钢没有相变点，当经冷变形奥氏体钢被升温到高温，在奥氏体发生再结晶的同时，使(Fe，Cr)23C6和σ相充分分解固溶；依靠快冷，能把碳呈固溶状态的奥氏体保持到常温，可在室温下获得单相的奥氏体组织，获得碳及合金元素在γ-铁中的过饱和固溶体，即过饱和合金奥氏体；如果随后缓冷至溶解度曲线以下时，将从奥氏体中析出(Fe，Cr)23C6，冷到一定温度时将发生奥氏体一铁素体转变，则钢在室温下的组织为：奥氏体+铁索体+(Fe，Cr)23C6。

对于304奥氏体不锈钢，在1200℃时碳的溶解度为0.34％，1000℃时为0.18％，因此304不锈钢含碳在0.18％以下(通常是0.06～0.07％)时，碳全部固溶于γ体中。

304不锈钢的加热温度是1010～1150℃，在此温度下使析出的碳化物被重新固溶,然后快速冷却到室温。由于冷速较快,固溶的碳来不及与其它合金元素结合析出，以此提高其耐晶间腐蚀性能。在退火过程中温度不宜过高，以免因温度过高使钢中析出δ铁素体和引起钢的晶粒粗化，另一方面固溶处理温度过高还会增加钢的晶间腐蚀敏感性。对于冷冲压中的薄件，固溶热处理中，如缓慢升温，在中间温度时碳化物会充分析出，为了将其固溶就要耗费很长时间。因此，最好直接装入预先升温到固溶温度的炉子中进行保温为好。对于像深冲加工件那样各部分变形量不同，局部变形量小的工件，就因当选择在下限温度退火，下限温度只用于变形程度大而又均匀的冷作件。所以深冲用薄钢板，考虑到加工会使表面变得粗糙，因此要求晶粒度达到7～8级(既约为0.035mm左右)，如出现粗大晶粒组织，无论是从延伸率和脆性方面，还是从加工后的表面粗糙度方面来考虑，都是不利的。而且晶粒的长大与材料热处理前的冷加工变形量有关，当冷加工变形量约为5％时，加热后就产生非常粗大的晶粒。因此对于冷加工变形量、退火温度及保温时间都必须加以考虑(如图卜12)。如用1015℃经2分钟左右即可。而保温时间过长，会使晶粒增长过快。所以对冷作的奥氏体钢退火时，最好迅速加热到1050～1150℃，再次温度保持很短时问(对薄板只须2～3min)即可完成。

上述加热固溶的碳化物如从固溶化温度缓慢冷却，便在冷却过程中析出而发生敏化，所以冷却速度也是重要的，如果冷却不适当，好不容易固溶了的碳化物就会再析出而使钢的材质恶化，往往有时甚至还不如不进行热处理的材质。碳析出的原因是，碳原子的原子半径小，超过固溶极限的碳不能存在于奥氏体晶体内，而沿晶界析出。但是只有这一部分碳是不稳定的，所以便于其周围基体的Cr化合成碳化铬Cr23C6而稳定化，既碳化物沿晶界可能连续析出。因为Cr23C6中含有一部分Fe，所以可写成(Fe，Cr)23C6。按重量％计算，C约与十倍的Cr生成碳化物，因而晶界附近由于C的析出而贫Cr，由于Cr的原子半径大，很难扩散到这种贫Cr层中，因而产生贫Cr现象。这种状态叫做敏化。这种敏化通常是在固溶处理后，再在500～850℃加热～定时间而产生的，这是由于C的析出、Cr的迁移都需要能量的缘故。在500℃以下即使经相当长时间的加热，因为能量不够也不能发生敏化，再如在850℃以上温度加热，就会固溶，固不宜在(500～850℃)温度范围内对不锈钢进行热处理。敏化和时间的关系图叫TTs曲线，经研究可知，对于含碳0.07％的304奥氏体不锈钢，在700℃经4，5分钟即可敏化。退火温度越高，冷却过程中热效应就越强，所以有必要快速冷却。如冷却稍慢，就会进入等温保温的敏化范围内而造成同样的热影响。因此，热处理后的冷却速度必须保证不至于产生敏化热效应。冷却速度可说是越快越好，但也存在由于热应变而引起的变形(甚至水冷有淬裂的危险)和残余应力的增大以及快冷方法上的问题。所以应根据材料的尺寸和形状，适当地选用静止空冷、吹风冷却、蒸气冷却、喷水冷却或水中冷却。固溶热处理的另一个问题是金属表层氧化。奥氏体钢在1050℃的高温退火形成的氧化皮不易去除[2]。Cr的氧化物以CrO-Cr2O3-CrO3的顺序进行氧化，氧化程度轻微的氧化皮(Cr以CrO存在)，现场称为蓝鳞(blue scal e)的淡蓝色氧化皮。如果形成氧化程度轻严重的氧化皮，厚度达250A以上时，则在酸洗去除时非常困难，以至使得氧化皮的基体金属受到相当的破坏才能去掉。即令用特种酸洗液将其消除了，在干净的表面也会留下一些灰色粘性沉淀物，往往用手才能擦掉。故在控制气氛中退火免除事后酸洗的必要性是值得提倡的。另一方面退火使加工硬化后的金属一方面基本上保留加工硬化状态的硬度和强度，同时使内应力消除，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高腐蚀性。一般情况下奥氏体不锈钢在200～400℃加热时便已开始应力松弛，用430～480℃缓冷的热处理方式，保温时间在30分钟左右，其残余应力是不能完全消除的，但能消除局部集中的应力[3]。在热线的生产中，我们采用气冷，气水冷和水冷，是温度迅速降低到700℃以下，已达到所需的性能。

2、退火对304不锈钢力学性能的影响

2.1塑性应变比 r 值

塑性应变比 r 值是评价金属薄板深冲性能的重要参数。它反映金属薄板在

某平面内承受的拉力或压力时，抵抗变薄或变厚的能力。由于板材在制造过程中经历轧制与退火等工艺，使板材形成结晶方位趋于一致的织构组织,在宏观上表现为各向异性，即在不同的方向上板材的性能有一定的差异，板材的各向异性对冲压性能有很大的影响。r 的值物理意义：试样拉伸时，长度延伸，宽度和厚度都要收缩(变窄、变薄) , 实际拉伸时宽度和厚度方向的收缩并不相同, 一般以宽度方向的应变量εb与厚度方向的应变量εa的比值 r 来表示这种差异，称为塑性应变比 r。

板材抵抗厚度变化的能力, 因为冲压成形时, 一般都希望在板平面方向变形, 而不希望厚度发生过大的变化, 宽向变窄容易用毛料的尺寸来补偿, 而厚向变薄容易导致破裂的发生, 所以r> 1 时, 板平面方向容易变形。r=1 时钢板呈各向同性；r>1 时,钢板抗厚度变薄的能力强,即 r 愈高,钢板愈难变薄,从而提高了钢板的冲压性能。对 r 其主要影响因素是冷轧总压下率，较高的冷轧总压下率能使再结晶退火后的有利织构增强，益于提高冷轧薄板的冲压成形性能，但冷轧总压下率过高，反而使不利织构增加，从而降低薄板的 r 值。冷轧后的薄板进行最终热处理是获得优良成形性能的重要工序。最终热处理一般为罩式退火、连续退火和正火，长的加热时间和高的加热温度可造成更强烈的软化和更好的延伸性，急剧加热会使薄板的 r 值显著下降。塑性应变比 r 定义为：“将金属薄板试样单轴拉伸到产生均匀塑性变形时，试样标距内，宽度方向的真实应变与厚度方向的真实应变之比”。

2.2加工硬化指数 n 值

应变硬化指数 n 是金属薄板在塑性变形过程中形变强化能力的一种度量，

应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。它是试验材料真实应力—应变在双对数坐标平面上关系曲线的斜率。n 值代表材料的加工硬化能力，它可用来评价同一金属系列的伸展成型性。就成型性而言（特别是延伸性能），n 值是很重要的，它与材料的纯净度和晶粒度有关，由于它有助于促进应变的均一性，n 值越大，拉延能力越强，冲压性能越好。一般希望 n 值相对高些，在 0.28~0.4 范围内，对于纯净钢质，n 值一般更高，如何改进工艺以提高 n 值是改善深冲性能的关键。应变硬化机理：金属材料的应变硬化机理，至今尚不清楚，有各种不同的理论。但普遍认为，金属材料的应变硬化是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。在多滑移过程中，由于位错的交互作用，形成割阶、Lomer-Cottree

位错锁和胞状结构等障碍，使位错运动的阻力增大，而产生应变硬化。在交滑移

过程中，硬化主要是由于原滑移面中刃位错密度大，产生应变硬化。金属具有应

变硬化能力，使金属具有广泛用作结构材料可以承受超过屈服强度的应变而不致

引起整个构件的的特性。因而关于金属应变硬化的研究就成为金属力学性能

的中心课题之一。应变硬化指数 n 定义为：“在单轴拉伸力作用下,真实应力与

真实应变数学方程式中的真实应变指数”。

经研究发现[5]，在对冷轧后的厚度为0.6mm 的硬态材料按制定的退火工艺进行热处理，可知从 n 值的计算结果来看，在 1060℃，1080℃ ,1100℃随着退火时间的增加，n 值逐渐增大，退后时间到 5min 后 n 值逐渐减小。在退火时间为 2min 和 5min 的情况下，随着退火温度的升高 n 值逐渐增加。退火时间为 8min，退火温度 1060~1080℃时 n值增加，1080~1100℃时 n 值减小。

从 r 值得计算结果来看，在 1060℃时随着退火时间的增加 r 值逐渐减小。在 1080℃，1100℃时，退火时间 2~5min，r 逐渐增大，5~8min 时 r 值逐渐减小。退火时间为5min 和 8min 时随着退火温度的升高 r 逐渐增大，退火时间为 2min 时，退火温度1060~1080 ℃时 r 值增大，退火温度 1080~1100℃时 r 值减小。退火工艺 1100 ℃5min 时 r 值达到 1.391 拉伸性能最好，满足材料性能要求。

经研究[5]可知在退火时间为 2min 时，退火温度从 1060~1080℃，延伸率逐渐增加，在退火温度为 1080~1100℃时延伸率稍微减小。退火时间 5min 和 8min 时随着退火温度的升高延伸率增大，但增加幅度不大。退火温度为 1060℃，1080℃，1100℃随着退火时间的增加延伸率增大。退火温度为 1060℃，1100℃时，退火时间 2~5min 时抗拉强度减小，5~8min时抗拉强度增加。1080℃时随着退火时间的增加抗拉强度逐渐减小，但减小的幅度不大。退火时间为 2min，5min，8min 时随着退火温度的升高抗拉强度逐渐减小，退火时间为 5min 时抗拉强度减小幅度最大。退火温度为 1060℃，1080℃，1100℃时退火时间 2~5min 时屈服强度逐渐减小，5~8min 时屈服强度增大。在退火时间为 2min，5min，8min 时随着退火温度的升高，屈服强度逐渐减小。

退火时间对屈强比的影响[5]：在退火温度为 1060℃，退火时间 2~5min 屈强比明显减小，5~8min 时屈强比增大。退火温度 1080℃时随着退火时间的增加，屈强比逐渐减小。退火温度为 1100℃时，退火时间 2~5min 时屈强比增大，5~8min 时屈强比减小。

退火温度对延伸率的影响[5]：在退火时间为 2min 和 8min 时随着退火温度的升高，屈强比逐渐减小。退火时间为 5min 时退火温度 1060~1080℃时屈强比减小，1080~1100℃ 时屈强比明显增加。304 奥氏体不锈钢通常在 1050~1150℃之间进行固溶退火,使析出的碳化物被重新固溶,然后快速冷却到室温。由于冷速较快,固溶的碳来不及与其它合金元素结合析出,以此提高其耐晶间腐蚀性能。退火中，晶粒从新长大，重组，提高其材料的性能。退火工艺1100℃5min 晶粒分布较均匀，晶粒较大，材料的拉伸性能最佳。

三  结论

1、通过分析可知，退火工艺对304 不锈钢的性能有明显的影响。

2、随退火温度的升高和保温时间的延长，晶粒增大， 屈强比减小， 且晶粒大小均匀， 有助于增强材料的深冲性能。

3、退火过程中，对不同厚度钢卷制定出不同的退火温度和退火时间，并控制好冷却速度，已达到最佳性能。

4、通过304 不锈钢的退火研究，获得了综合性能较高的热处理工艺参数，能够为生产提供一定的参考作用。

参考文献

1.慈军，冯, 金属学及热处理, 沈阳：东北大学出版社，!>>$

2.丁键刚， 胡保全， 高小芬． 冷轧不锈钢生产过程的质量控制[J]．轧钢，2001，18(4)：43-46．

3.李维东， 马金达．冷变形对304 不锈钢组织和性能影响的探讨[J]．理化检验一物理分册，2002，38(11)：507-509．

4.崔忠圻．金属学与热处理[M]． 北京： 机械工业出版社，19．205-215．

5.李小权，张磊，栾彩霞．退火工艺对冷轧钢板力学性能和显微组织的影响[J]．山东冶金，2008，30：59-60．下载本文