摘 要

奥氏体不锈钢具有良好的力学性能、耐腐蚀性能以及成形性能，在石油、化工、航空航天、能源、交通、生物医药等行业得到广泛应用。安检CT和一些测量仪器设备上的某些部件，要求材料具有良好的综合性能，即良好的力学性能、低磁导率等。本课题的目的就是研发综合性能良好、磁导率低的改进型奥氏体不锈钢材料，以为安检CT探测器模块不锈钢底座、以及部分仪器仪表的奥氏体不锈钢部件的材质选择与应用提供参考依据。

此次实验在常用的奥氏体不锈钢304的基础上，通过调整Mn、Ni、Cu、Si等合金元素含量确定了三种化学组成。开炉采用中频炉熔制合金，待金属完全熔化后，加入计算好的化学成分、合金元素，铸出所需成分试样。对部分试样进行固溶热处理（1200℃×4h，水冷）后，采用光谱成分分析仪、金相显微镜、磁导率测试仪、万能材料性能试验及电子探针等仪器设备分析材料的铸态与热处理态的成分、组织和性能。

实验结果表明，固溶处理会使得奥氏体不锈钢的塑性上升、抗拉强度下降，还可以明显降低相对磁导率，使材料达到无磁的标准（相对磁导率μ_r≤1.02）。此外，向奥氏体不锈钢中加入一定量的Cu或者降低Si含量，均可以使材料在铸态条件下就拥有很低的相对磁导率。研究成果对于相关行业的材料选择和实际生产具有重要的参考价值。

关键词：奥氏体不锈钢；合金元素；固溶处理；力学性能；相对磁导率

Abstract

Austenitic stainless steel has been widely used in petroleum, chemical industry, aerospace, energy, transportation, biomedicine and other industries because of its good mechanical properties, corrosion resistance and formability.The security inspection of CT and some components of some measuring instruments and equipment require the material to have good compositive properties, that is, good mechanical properties,low permeability and so on.The purpose of this paper is to develop an improved Austenitic stainless steel material with good comprehensive properties and low permeability, which is used to check the stainless steel base of CT detector module. And the material selection and application of Austenitic stainless steel parts of some instruments provide reference basis.

On the basis of common Austenitic stainless steel 304,this test confirmed three kinds of chemical composition by adjusting the content of alloy elements such as Mn,Ni,Cu,Si.The alloy is melted in medium frequency furnace. After the metal is completely melted, the calculated chemical composition, alloy elements are added and cast out the required composition samples finally.After solid solution heat treatment (1200 ℃ × 4 h, water cooling) of some samples，spectral composition analyzer, metallographic microscope, permeability tester,Universal material testing machine， electron probe and other instruments and equipment were used for analysing the composition, microstructure and properties of as-cast and heat-treated materials.

The experimental results show that solid solution treatment can increase the plasticity and decrease the tensile strength of Austenitic stainless steel.It can also significantly reduce the relative permeability and make the material reach the standard of no magnetic field (relative permeability μ_r ≤ 1.02).In addition, adding a certain amount of Cu to Austenitic stainless steel or reducing Si content can make the material have very low relative permeability in as-cast state.The research results have important reference value for the material selection and actual production of related industries.

Keyword: Austenitic stainless steel, alloy elements, solid solution treatment, mechanical properties, relative permeability

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 奥氏体不锈钢概述 2

1.2.1 奥氏体不锈钢的特点 2

1.2.2 奥氏体不锈钢中的合金元素 3

1.3 奥氏体不锈钢研究现状及进展 4

1.3.1 国外奥氏体不锈钢发展 4

1.3.2 国内奥氏体不锈钢发展 5

1.4 研究目的与主要内容 5

1.5 本选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响 6

第2章 试验材料及方法 6

2.1 试验材料 6

2.2 合金试样的制备及化学成分测定 7

2.2.1 合金熔炼及热处理 7

2.2.2 试样化学成分的测定 8

2.3 试样的分析方法 8

2.3.1 金相分析 8

2.3.2 X射线衍射（XRD）分析 9

2.3.3 电子探针（EMPA）分析 10

2.3.4 拉伸实验 10

2.3.5 磁性能测定 12

第3章 实验结果与分析 14

3.1 化学成分及金相组织分析 14

3.1.1 铸态试样 14

3.1.2 热处理态试样 15

3.2 XRD及电子探针分析 16

3.2.1 铸态试样XRD 17

3.2.2 热处理态试样XRD 18

3.2.3 电子探针分析 19

3.3 力学性能分析 20

3.3.1 铸态试样 20

3.3.2 热处理态试样 20

3.4 磁性能分析 21

3.4.1 磁滞回线图 21

3.4.2 相对磁导率 22

第4章 结论 24

参考文献 25

致谢 26

附录1 27

附录2 28

第1章 绪论

1.1 研究背景

奥氏体不锈钢具有弱磁性，良好的力学性能、抗腐蚀能力和焊接性能, 成为产量、用量最大，牌号众多的一种不锈钢^[1]，其中304奥氏体不锈钢经济便宜，具有较强的耐蚀性、耐热性，较好的力学性能、冷加工成型能力和焊接性能，是奥氏体不锈钢中应用最广泛的^[2]。奥氏体不锈钢在石化、核电、交通等领域均应用广泛。随着其应用领域愈来愈广泛, 对奥氏体不锈钢的力学性能、低磁性和耐蚀性的要求越来越高^[3]。

一些行业对奥氏体不锈钢的要求不只是良好的力学性能和耐腐蚀性能，还对材料的磁性能有一定的要求。比如，安检CT探测器模块的不锈钢底座、石油钻井的奥氏体不锈钢钻铤、一些仪器仪表的奥氏体不锈钢部件等应用领域要求材料尽量无磁。标准的无磁材料要求的相对磁导率为μ_r≤1.02^[4]，而普遍使用的304奥氏体不锈钢的相对磁导率一般在1.1左右，并未达到无磁材料的要求。因此，研发综合性能良好、磁导率低的改进型奥氏体不锈钢材料具有重要意义。其作为不锈钢领域的热门研究课题，主要研究方向大致可以概括为两个：成分调整和热处理工艺。

普通奥氏体不锈钢的微观组织为奥氏体基体，硬度不能通过淬火增加，故普通的奥氏体不锈钢力学性能均比较低^[5]。而高N奥氏体不锈钢以N代C,采用C、Mn、N或Ni、Mn、N的复合强化, 可以获得屈服强度Rp_0.2≥800MPa的超高强度的高氮高锰奥氏体不锈钢^[6]。一般奥氏体不锈钢中的Ni元素资源短缺、价格昂贵，为了减少Ni的使用，人们研究发现：适当增氮降镍后，钢的金相组织仍能保证单一的奥氏体，而且材料的机械性能显著提高^[7,8]。另外，N合金化的Fe-Cr-Mn系奥氏体不锈钢是一种已经投入生产的资源节约型材料, 通过加入奥氏体形成元素Mn和N来代替Ni元素，不仅使不锈钢在热处理和加工过程中保持单一稳定的奥氏体组织,还能降低成本^[9,10]。显而易见，成分调整是改进型奥氏体不锈钢研究中常用的方法。