臺灣博碩士論文加值系統

敏化處理對304型不銹鋼機械性質之影響
摘 要
304型不銹鋼是鉻鎳系不銹鋼，其組織為沃斯田鐵，因為能在鋼表面產生Cr2O3的氧化膜，具有保護作用。其材質軟富於軔性、無磁性，用途廣。304型不銹鋼於敏化溫度之高溫475~850℃範圍會有碳化物析出(1)(2)。
本計劃旨在研究304型不銹鋼在敏化溫度(sensitize temperature)範圍(475~850℃)探討碳化物析出對機械性質之影響，將304型不銹鋼試片(鋼材取切片)分別在高溫爐(加熱氣)至450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、1050℃並分別經16小時、24小時、48小時、72小時、500小時，及400℃、620℃、650℃、750℃、900℃分別經24小時及750℃分別經192小時、400小時觀察敏化現象及是否有晶界腐蝕情形，以及研究304型不銹鋼之安定化及固溶溫度處理。並做拉伸試驗，將試片以不同應變率去做麻田散鐵度態拉力測試。其試驗設備有(1)硬度試驗(2)腐蝕實驗(3)拉伸試驗(4)OM顯微鏡組織或SEM觀察(5)EDS成份分析(6)X-ray繞射分析(7)δ-ferrte測儀器。並藉上述設備來分析進行，所實驗的結果顯示:304型不銹鋼(1)在475~850℃範圍內有碳化物析出在晶界處，使晶界兩旁之鉻(Cr)元素含量會減少而形成鉻缺乏區。(2)經拉伸後的應變率增加其麻田散鐵量也會增加且呈線性關係。(3)經過拉伸應後之金相，由10%、20%、30%、40%應變時，晶粒內滑動線數量更多，造成各方向的晶粒變形量更大，其應變愈大且明顯成分枝形，當試片再受到50%應變時，到達極大應力，最後被拉斷。(4)在應變0%、10%、20%、30%、40%、50%的X-Ray繞射圖不盡相同，應變50%繞射峰為麻田散鐵α(110)及α(200)比應變10%高，故麻田散鐵變態量較多。(5)安定化處理304不銹鋼固溶強化元素C，N含量高所以抗拉及降伏強度比304L高，其麻田散鐵變態較多，所以N值高(6)經過敏化處理650℃、750℃、850℃並分別經24小時後的拉伸時，而受到剪力破壞其主因來自分離晶粒間的界面之底端，由晶界碳化物來形成凹洞(dimple)，其凹洞受拉會逐漸成長而聚集，產生延性破壞。
實驗證實再來評估燁聯公司所生產304型沃斯田鐵系的不銹鋼之品質，加以驗証，並可提供鋼鐵工業生產公司作為品質改進以利參考，發展出更好的材料，貢獻於人類，造福全世界，為敝研究生所盼望及期待的。
關鍵詞：沃斯田鐵，氧化鉻，敏化溫度，晶界腐蝕，碳化物析出。

The Effect of Sensitizing Treatment on Mechanical Properties of Type 304 Stainless Steel
Summary
Type 304 stainless steel is a kind of chrome-nickel steel and its structure is austenitic. This composition improves the anti-corrosion property because it produces a protective layer oxidation membrane of Cr on the surface of the steel. This type of stainless steel is malleable, non-magnetic, and suitable for many purposes. Under the range of sensitizing temperature from 475 to 850℃, carbides precipitation would be found on type 304 stainless steel.
The purpose of this study is to examine the influence of carbides precipitation on the mechanical properties of type 304 stainless steel under the sensitizing temperature of 475 to 850℃. The experiment heats type 304 stainless steel specimen up to 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, and 1050℃ for 16, 24, 48, 72, 500 hours , 400, 620, 650, 750, 900℃ for 24 hours and 750℃ for 192, 400 hours in order to see if sensitizing and granulating phenomena are observed. In addition, this study examines the stability and solution temperature treatment of type 304 stainless steel. Finally, the steel is tested and strained at different reduction, which includes (1) a microhardness test, (2) a corrosion test, (3) a tensile test, (4) the OM and SEM observation of microstructure and fracture surface, (5) the analysis of EDS components, (6) X-ray diffraction, and (7) uses of δ-ferrte instrument. The experiment shows the following results. (1) the type 304 stainless steel has the phenomenon of carbides precipitation when the sensitizing temperature is between 475 to 850℃. In this process, the amount of chrome gradually decreases and eventually the steel forms an area lack of chrome. (2) the type 304 stainless steel has its reduction rate increased after being strained. (3) in the process of straining from 10%, 20%, 30% to 40%, the number of slipping lines becomes larger, which causes the granule, deforming in various directions. When the degree of straining increases to 50%, the steel is finally broken. (4) the X-ray deflection is not quite similar under different straining of 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%, type 304 stainless steel at the diffraction of 50% is higher than everyone 10%. Therefore, the type 304 stainless steel has higher deflection. (5) the treatment of stabilization for the type 304 stainless steel increases its strength, higher than the type 304L steel. (6) after the treatment of sensitization at 650℃, 750℃, 850℃ for 24 hour straining, the steel was damaged because the carbides precipitation makes a dimple on the steel, which becomes larger and eventually damages the steel.
The result of the above experiments and tests can be used to evaluate the quality of type 304 austenitic stainless steel manufactured by Yieh United Corporation. The evaluation result may provide references for future improvement on the production of this type of stainless steel.
Key words: austenitic stainless steel, chromium carbides, sensitizing temperature, intergranular corrosion, carbide precipitation

總目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅲ
誌謝 Ⅴ
總目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅸ
表目錄 ⅩⅤ
第一章 前言
1.1前言 1
1.2研究動機 2
第二章 理論背景與文獻回顧
2.1不銹鋼簡介與合金之發展史 3
2.2沃斯田鐵系不銹鋼簡介 7
2.3沃斯田鐵系不銹鋼的腐蝕及脆裂 12
2.4沃斯田鐵系不銹鋼之熱處理 17
2.5沃斯田鐵系不銹鋼之凝固行為及腐蝕破壞 19
2.6沃斯田鐵系不銹鋼中的碳化鉻與粒間腐蝕之關係 20
2.7合金元素對不銹鋼的影響 22
2.8不銹鋼材料之機械性質及試驗 26
2.9真實應力–真實應變之關係 30
2.10 304型不銹鋼加工硬化原因 32
2.11 304型不銹鋼與加工硬化率之關係 34
2.12不銹鋼的麻田散鐵變態 35
2.13不銹鋼機械及物理性質高低溫之關係 37
2.14不銹鋼焊件與敏化之關係 40
第三章 實驗方法
3.1實驗流程 41
3.2試片規格 42
3.3金相組織觀察 44
3.4實驗步驟 47
第四章 實驗結果與討論
4.1 304型不銹鋼的硬度試驗 50
4.2敏化與未敏化金相之觀察 52
4.3碳化物在不同敏化溫度析出(OM/SEM)金相之比較 54
4.4 EDS/LINESCANS成份分析 58
4.5 304型與304L型不銹鋼的常溫機械性質 61
4.6經過拉伸應變後之金相觀察 70
4.7麻田散鐵變態測試 74
4.8焊件熱影響區之敏化現象 78
4.9敏化處理後拉伸的OM/SEM金相及EDS之成份分佈 79
4.10長時間敏化熱處理後304及304L不銹鋼的析出相 82
4.10.1敏化處理750℃x24h及48h後304及304L的金相 82
4.10.2敏化處理750℃x400h後304及304L的金相 84
4.10.3長時間敏化處理後304及304L的硬度分佈 86
4.11晶粒大小對機械性質的影響 89
4.12安定化熱處理後304及304L不銹鋼的機械性質 91
4.13破斷面分析 92
第五章 結論 95
第六章 參考文獻 96
作者簡介 100
圖目錄
圖2.1沃斯田鐵系不銹鋼發展過程系統圖 6
圖2.2碳化鉻(Cr23C6)析出在晶界(˙˙˙˙)而黑影部分表示Cr缺乏區 15
圖2.3碳化鉻(Cr23C6)之EDS分析圖 15
圖2.4沃斯田鐵系不銹鋼焊件之晶界腐蝕 16
圖2.5沃斯田鐵系不銹鋼之鉻缺乏區與鉻含量分布示意圖 16
圖2.6 Fe-Cr-Ni平衡圖之18-8鋼處斷面圖 21
圖2.7 The Schaeffeler diagram to show constitution for stainless steels 25
圖2.8 The Delong diagram of weld ferrite content of stainless steels 25
圖2.9拉伸試驗的荷重–伸長曲線圖 27
圖2.10含0.1%之Fe-Cr-Ni合金之常溫組織圖 32
圖2.11冷軋率與麻田散鐵生成量之關係 32
圖2.12冷加工對沃斯田鐵不銹鋼導磁率之影響 32
圖2.13各種不銹鋼的冷間加工硬化性 33
圖2.14拉伸試驗加工硬化指數n的求法 33
圖2.15 Cr, Ni含量對Fe-Cr-Ni合金Ms溫度之影響 34
圖2.16 Ni, Cr含量對沃斯田鐵系不銹鋼冷加工硬化性之影響硬化係數 34
圖2.17冷間加工時Ni對加工硬化之影響 34
圖2.18含碳量對沃斯田鐵系不銹鋼冷加工硬化性之影響 34
圖2.19冷加工及-196℃淬火對於α’麻田散鐵生成之影響 36
圖3.1實驗流程圖 41
圖3.2試片規格示意圖 42
圖3.3不銹鋼焊接試片 46
圖3.4 Zwick Z250拉伸試驗機 49
圖3.5 BUEHLER電解腐蝕機 49
圖4.1.1硬度對敏化處理前後之關係(16x48x72h) 51
圖4.1.2硬度對長時間敏化處理前後之關係(48x500h) 51
圖4.2.1未經過熱處理之試片(100x) 53
圖4.2.2未經過熱處理之試片(500x) 53
圖4.2.3經過400℃x24h(100x) 53
圖4.2.4經過400℃x24h(500x) 53
圖4.2.5經過900℃x24h(100x) 53
圖4.2.6經過900℃x24h(500x) 53
圖4.3.1經過650℃x24h(100x) 55
圖4.3.2經過650℃x24h(500x) 55
圖4.3.3經過650℃x72h(100x) 55
圖4.3.4經過650℃x72h(500x) 55
圖4.3.5經過850℃x24h(100x) 55
圖4.3.6經過850℃x24h(500x) 55
圖4.3.7經過850℃x72h(100x) 56
圖4.3.8經過850℃x72h(500x) 56
圖4.3.9經過850℃x500h(100x) 56
圖4.3.10經過850℃x500h(500x) 56
圖4.3.11未經過熱處理之試片(SEM金相圖) 57
圖4.3.12 650℃x24h(SEM金相圖) 57
圖4.3.13 850℃x24h(SEM金相圖) 57
圖4.3.14 850℃x500h(SEM金相圖) 57
圖4.4.1未經過熱處理試片鉻(EDS分析圖) 59
圖4.4.2經過650℃x24h鉻(EDS分析圖) 59
圖4.4.3經過850℃x24h鉻(EDS分析圖) 59
圖4.4.4經過850℃x500h鉻(EDS分析圖) 59
圖4.4.5未經過熱處理試片鉻(LINESCAN分析圖) 60
圖4.4.6 650℃x24h鉻(LINESCAN分析圖) 60
圖4.4.7 850℃x24h鉻(LINESCAN分析圖) 60
圖4.4.8 850℃x500h鉻(LINESCAN分析圖) 60
圖4.5.1 304不銹鋼應變後的抗拉及降伏強度 63
圖4.5.2 304L不銹鋼應變後的抗拉及降伏強度 63
圖4.5.3不同應變率與加工硬化率N值之關係 64
圖4.5.4不同應變率與麻田散鐵變態量之關係 64
圖4.5.5不同應變率與硬度之關係 65
圖4.5.6不同敏化溫度與麻田散鐵變態之關係 65
圖4.5.7抗拉強度與敏化溫度之關係 66
圖4.5.8降伏強度與敏化溫度之關係 66
圖4.5.9伸長率與敏化溫度之關係 67
圖4.5.10加工硬化率(N-value)與敏化溫度之關係 67
圖4.5.11敏化熱處理後拉伸的硬度值 68
圖4.6.1 304未拉伸(100x) 72
圖4.6.2 304未拉伸(400x) 72
圖4.6.3應變10%(100x) 72
圖4.6.4應變10%(400x) 72
圖4.6.5應變20%(100x) 72
圖4.6.6應變20%(400x) 72
圖4.6.7應變30%(100x) 73
圖4.6.8應變30%(400x) 73
圖4.6.9應變40%(100x) 73
圖4.6.10應變40%(400x) 73
圖4.6.11應變50%(100x) 73
圖4.6.12應變50%(400x) 73
圖4.7.1 304不銹鋼應變0%的X-ray繞射圖 76
圖4.7.2 304不銹鋼應變10%的X-ray繞射圖 76
圖4.7.3 304不銹鋼應變20%的X-ray繞射圖 76
圖4.7.4 304不銹鋼應變30%的X-ray繞射圖 77
圖4.7.5 304不銹鋼應變40%的X-ray繞射圖 77
圖4.7.6 304不銹鋼應變50%的X-ray繞射圖 77
圖4.8.1 304焊件620℃x24h的熱影響區(100x) 78
圖4.8.2 304焊件620℃x24h的熱影響區(750x) 78
圖4.8.3 304焊件620℃x24h HAZ析出物的EDS分析圖 78
圖4.9.1 304經過650℃x24h敏化後拉伸的金相(750x) 79
圖4.9.2 304經過750℃x24h敏化後拉伸的金相(750x) 79
圖4.9.3 304經過850℃x24h敏化後拉伸的金相(750x) 79
圖4.9.4 304經過650℃x24h敏化後拉伸SEM(金相)分析圖 80
圖4.9.5 304經過750℃x24h敏化後拉伸SEM(金相)分析圖 80
圖4.9.6 304經過850℃x24h敏化後拉伸SEM(金相)分析圖 80
圖4.9.7 304經過650℃x24h敏化後拉伸EDS分析圖 81
圖4.9.8 304經過650℃x24h敏化後拉伸EDS分析圖 81
圖4.9.9 304經過650℃x24h敏化後拉伸EDS分析圖 81
圖4.10.1 304經過750℃x24h後的金相(800x) 82
圖4.10.2 304L經過750℃x24h後的金相(800x) 82
圖4.10.3 304經過750℃x48h後未拉伸的金相(400x) 82
圖4.10.4 304L經過750℃x48h後拉伸的金相(400x) 82
圖4.10.5 304L不銹鋼經過750℃x48h的EDS分析圖 83
圖4.10.6 304L不銹鋼經過750℃x48h的X-ray繞射圖 83
圖4.10.7 304不銹鋼經過750℃x48h的EDS分析圖 83
圖4.10.8 304L不銹鋼經過750℃x48h的X-ray繞射圖 83
圖4.10.9 304經過750℃x400h後的金相(100x) 84
圖4.10.10 304經過750℃x400h後的金相(500x) 84
圖4.10.11 304L經過750℃x400h後的金相(100x) 84
圖4.10.12 304L經過750℃x400h後的金相(500x) 84
圖4.10.13 304不銹鋼經過750℃x400h的EDS分析圖 85
圖4.10.14 304L不銹鋼經過750℃x400h的EDS分析圖 85
圖4.10.15長時間敏化處理304及304L的硬度分析圖 86
圖4.11.1 304經過固溶化處理1050℃，30min的金相(100x) 90
圖4.11.2 304經過固溶化處理1050℃，60min的金相(400x) 90
圖4.11.3 304L經過固溶化處理1050℃，30min的金相(100x) 90
圖4.11.4 304L經過固溶化處理1050℃，60min的金相(400x) 90
圖4.11.5 304經過固溶化處理1050℃，30min的EDS分析圖 90
圖4.11.6 304經過固溶化處理1050℃，60min的EDS分析圖 90
圖4.13.1 304經過應變(未敏化)後SEM的斷面圖(400x) 93
圖4.13.2 304經過應變(未敏化)後SEM的斷面圖(1000x) 93
圖4.13.3 304經過敏化650℃x24h後SEM的斷面圖(400x) 93
圖4.13.4 304經過敏化650℃x24h後SEM的斷面圖(1000x) 93
圖4.13.5 304經過敏化750℃x24h後SEM的斷面圖(400x) 94
圖4.13.6 304經過敏化750℃x24h後SEM的斷面圖(1000x) 94
圖4.13.7 304經過敏化850℃x24h後SEM的斷面圖(400x) 94
圖4.13.8 304經過敏化850℃x24h後SEM的斷面圖(1000x) 94
表目錄
表2.1不銹鋼合金之發展史 5
表2.2沃斯田鐵系之主要組成、特性及用途 9
表2.3金屬間相的晶體結構 14
表2.4沃斯田鐵系不銹鋼固溶化處之加熱與冷卻溫度 17
表2.5不銹鋼的機械性質 39
表2.6不銹鋼的物理性質 39
表3.1試片尺寸(mm) 42
表3.2試驗條件 43
表3.3硝酸電解腐蝕條件 44
表3.4草酸電解腐蝕條件 44
表3.5 304不銹鋼的合金成分 46
表3.6 304L不銹鋼的合金成分 46
表3.7 304不銹鋼焊條化學成分 46
表3.8 304不銹鋼焊接參數 46
表4.5 不同應變率來測試麻田散鐵變態值 64
表4.5.1不同溫度測試拉伸之硬度值 68
表4.10.1 304及304L的硬度值(HV) 86
表4.11.1晶粒大小對304及304L機械性質的影響 89
表4.12.1安定化熱處理後304及304L不銹鋼的機械性質 91

第六章參考文獻
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