鐵素體鋼是指含鉻大於14%的低碳鉻不鏽鋼，含鉻大於27%的任何含碳量的鉻不鏽鋼。屬於這一類的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。鐵素體不鏽鋼因為含鉻量高，耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好，但機械性能與工藝性能較差，多用於受力不大的耐酸結構及作抗氧化鋼使用。
基本介紹
- 中文名：鐵素體鋼
- 外文名：Ferritic steel
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 釋義：含鉻大於14%的低碳鉻不鏽鋼
簡介,ODS 鐵素體鋼,顯微組織的控制,Y2O3的溶解/析出,殘餘α2Fe 的形成,薄壁包層管的製備,中間熱處理,晶粒形貌控制,展望,
簡介
含鉻大於14%的低碳鉻不鏽鋼，含鉻大於27%的任何含碳量的鉻不鏽鋼，以及在上述成分基礎上再添加有鉬、鈦、鈮、矽、鋁、、鎢、釩等元素的不鏽鋼，化學成分中形成鐵素體的元素占絕對優勢，基體組織為鐵素。這類鋼在淬火（固溶）狀態下的組織為鐵素體，退火及時效狀態的組織中則可見到少量碳化物及金屬間化合物。
屬於這一類的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。鐵素體不鏽鋼因為含鉻量高，耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好，但機械性能與工藝性能較差，多用於受力不大的耐酸結構及作抗氧化鋼使用。
鐵素體不鏽鋼帶的冷軋加工，增加工作輥的粗糙度，工作輥分成精軋輥，用於最後1－2道次軋制，粗軋輥用於其餘道次軋制；前三道次的壓下率減少和增加，其餘道次壓下率遞減，最後1－2道次控制在15－8%，控制第1道次的前、後張力，單位張力不大於5公斤/毫米。工作輥的粗糙度提高，使消除表面缺陷的能力提高，降低了成本，提高了軋制速度、產量。調整壓下率，使材料各向異性得到有效控制，產品質量提高。控制前、後張力，使打滑斷帶、絞入事故下降，板形得到提高。
ODS 鐵素體鋼
傳統的鐵素體/馬氏體鋼的工作溫度最高只能達到550～600 ℃，氧化物彌散強化（OxideDispersion St rengthened ，ODS） 鐵素體鋼能將工作溫度提高到700 ℃。穩定的納米氧化物顆粒賦予了材料優異的高溫蠕變性能。ODS 鐵素體鋼具有BCC 晶體結構，在200dpa 的中子輻照條件下仍有非常低的輻照腫脹率。此外，ODS 鐵素體鋼還具有優異的抗氧化和抗腐蝕性。因此，ODS 鐵素體鋼可用於快反應堆和國際第Ⅳ代高級反應堆中的包層材料，第一壁材料及高溫結構件。ODS 鐵素體鋼的開發對提高反應堆的熱效率、減少環境污染、保證反應堆的安全性和長壽命運行具有重要意義。
合金元素( Fe 、Cr 、Ti 、W、Ta 、C) 滿足低活化的要求。Cr含量的確定要綜合考慮延性、斷裂韌性和耐腐蝕性。W添加的目的是通過固溶強化提高高溫強度。同時添加Ti和Y2O3有利於獲得納米尺度的氧化物顆粒，這大大提高了蠕變性能。ODS鐵素體鋼的製備用得最多的是熱擠壓工藝：首先在高純Ar氣氛中利用機械合金化（MA）將Y2O3顆粒均勻分散在基體中，然後將合金粉末密閉在低碳鋼管中並在1150℃進行熱擠壓。熱擠壓後的母管進行多道次的冷軋，在每道次冷軋之間進行中間熱處理，最終熱處理後得到薄壁的包層管。
ODS 鐵素體鋼製備的關鍵有兩個：一是獲得均勻分布的納米氧化物顆粒和適量的殘餘α2Fe ，從而提高蠕變性能；二是熱擠壓工藝製備薄壁包層管的工藝及改變拉長晶粒形貌以消除材料的各向異性。重點分析Y2O3 顆粒的溶解/ 析出、殘餘α2Fe 的形成、薄壁包層管制備工程中的中間熱處理和改變拉長晶粒形貌的方法。
顯微組織的控制
Y2O3的溶解/析出
在氧化物顆粒（Y2O3、Al2O3、TiO2和MgAl2O4）中，Y2O3是最有效的強化相，由於其具有溶解/ 析出機制。在機械合金化過程中，Y2O3 顆粒發生溶解，並在熱擠壓時（1000℃）以Y2Ti2O複雜氧化物（2nm）的形式析出並且析出的氧化物顆粒的粒徑小於添加的Y2O3的粒徑。這對增強相的粒徑、晶粒度、馬氏體相變和ODS鐵素體鋼的高溫蠕變性能都有至關重要的作用。Ti的添加有助於Y2O3的溶解，這不僅有利於獲得更加細小的氧化物增強相，而且能使增強相在基體中的分布更加均勻。氧化物的粒徑由不添加Ti 前的10～30nm降低到添加Ti後的1～10nm。然而，Ti含量過高會引起冷變形的困難，降低了材料的冷加工性。
為了平衡強度和可加工性， Ti的濃度確定為0.2 %。當O含量較高時，形成的Y2Ti2O複雜氧化物為立方Y2 TiO7 ( Y/O = 1∶1) 是穩定的。當O含量不足時，形成的是六方結構的Y2TiO5 ( Y/ Ti = 2∶1) 。Y2O32TiO2納米複雜氧化物顆粒在析出的同時還與鐵素體基體保持共格，氧化物和基體之間的晶格錯配度為0.5% 。
殘餘α2Fe 的形成
MA 粉末是由超細α2Fe 晶粒構成的。在熱擠壓過程中，只有部分α2Fe 能轉變成γ2Fe ，形成了一種特別的由γ2Fe 和拉長晶粒構成的雙相組織。拉長的晶粒為熱擠壓時沒有轉變為γ2Fe 的α2Fe 晶粒。將該拉長的鐵素體(α)稱為殘餘α2Fe ，以區別於在最終熱處理中通過γ→α擴散轉變形成的鐵素體(α) 。殘餘α2Fe 的形成可通過Ti含量和過剩O 濃度( EX. O) 來控制。EX. O定義為總的氧濃度(OTotal) 減去以Y2O3形式存在的氧(OY2O3) ：EX. O = [OTotal ] - [OY2O3 ]過剩O 意味著O 與Y結合併形成Y2Ti2O複雜氧化物顆粒。9Cr2ODS 鐵素體鋼的高溫強度很大程度上取決於EX. O。EX. O的控制是通過調節Fe2Y和Fe2O3粉末的比例來實現。用Fe2Y取代部分Y2O3 粉末能降低EX.O，而添加Fe2O3能增加EX. O。
薄壁包層管的製備
用於反應堆的薄壁包層管的直徑為8.5±0. 4mm ，厚0. 5 ±0. 03mm。薄壁包層管的製備有兩個難點：一是納米氧化物顆粒的存在及大變形量使材料硬化，不通過中間熱處理難以進行軋制；二是軋制後得到的針狀拉長晶粒形貌使材料的周向蠕變性能下降、延性變差，所以改變包層管的各向異性對提高內蠕變斷裂強度至關重要。
中間熱處理
中間熱處理的目的是通過回復軟化來降低硬度，以便於後續冷軋。中間熱處理是軋制過程的關鍵，它不僅影響到冷軋，而且對最終的顯微組織有重要的影響。
1.一步熱處理 一步熱處理工藝為：1250 ℃ ×30min →空冷。在室溫生成鐵素體相而不發生馬氏體轉變，因此能降低硬度。母管的晶粒細小，硬度是348Hv。第一次冷軋後硬度升高到395Hv ，通過一步熱處理可將硬度降低到母管的水平。二次冷軋後的中間熱處理將硬度降得比母管還要低，這是因為應變能的積累容易導致再結晶的發生。可見，高溫熱處理容易導致中間熱處理過程中出現部分再結晶。雖然以50 %的壓下量冷軋時硬度能限制在350Hv ，但是最終熱處理後仍保留了部分拉長晶粒，表明再結晶不能完全進行。
一步熱處理在溫度低於1100 ℃時不能將硬度降低到400Hv 以下，但是如果溫度高於1150 ℃，雖然硬度能降低到400Hv 以下，但是容易在中間熱處理時發生部分再結晶，不利於最終熱處理實現完全再結晶。
2.兩步熱處理 由一步熱處理可得出，在中間熱處理過程中一旦發生再結晶，最終的熱處理就不能得到再結晶組織。兩步熱處理的目的是在中間熱處理中只通過回復軟化來降低硬度以便於後續冷軋，而不發生再結晶，保持了{111}〈110〉冷軋織構。這確保了最終熱處理獲得理想的再結晶組織。兩步熱處理的工藝為：1050 ℃×30min →1250 ℃×30min →空冷。
通常，二步熱處理的溫度選為1200 ℃，使硬度降低到足以進行冷軋。在中間熱處理的過程中回復晶粒結構保持下來，儲存了適當的能量，導致在最終的熱處理過程中均勻形核和再結晶長大。這種特別的熱處理使得可以穩定地製備薄壁包層管。
晶粒形貌控制
冷軋使得包層管沿軋制方向形成拉長的晶粒，晶粒直徑為500nm ，長/ 徑比為10220。這使得軸向和周向力學性能出現各向異性，引起延性的下降，不利於精密的薄壁包層管的成形。此外，細小的針狀晶粒容易發生晶界滑移，降低了高溫蠕變性能。因此，獲得等軸晶粒是開發高性能ODS 鐵素體鋼包層管的重要環節，改變晶粒形貌是通過最終熱處理來實現的，主要有再結晶熱處理，馬氏體相變（γ→α′） 和α→γ相變三種方法。
展望
ODS 鐵素體鋼雖然在製備工藝方面取得了較大的進展，但是結合該材料嚴酷的使用環境及安全性考慮，還有很多問題急需研究。離子輻照對ODS鐵素體鋼的力學性能、尺寸穩定性、顯微組織的影響及其疲勞性能還有待進一步研究，並建立資料庫以便於材料的設計。對於複雜的包層結構，高性能的焊接是安全運行的保證，焊接接頭的設計及其輻照性能、蠕變性能也有待研究。液相金屬塊反應堆中使用液Pb合金作為冷卻劑後，雖然提高了熱交換效率，但是對材料抗腐蝕性提出了更高的要求，所以ODS鐵素體鋼在高溫液態金屬中的腐蝕也是一個很重要的方面。此外，如何製備大型的構件以擴展ODS鐵素體鋼的套用領域仍是一個難題。
