304 L不銹鋼高溫變形組織的演化

高建斌，劉 潔，王曉軍

（1.太原鋼鐵集團公司，山西太原 030003；2.太原科技大學材料學院，山西太原 030024）

核電堆內大鍛件是影響反應堆壽命的心臟部件，材料選擇上除滿足強度和韌性外，還應考慮核輻射、耐磨蝕、耐沖擊、耐磨損，尤其是抗蠕變等因素，304 L奧氏體不銹鋼是核電常用材料之一。作為核電用鋼，304 L鋼的含碳、氮以及雜質元素等成分上都有特殊要求。304 L是單一的奧氏體組織，難以通過熱處理方式來改變組織[1]，故只能通過嚴格控制高溫鍛造參數來細化晶粒、改善力學性能。如何獲得均勻一致、高純凈度、耐高溫性和耐蝕性能優(yōu)異的304 L不銹鋼鍛件，與選擇適宜的鍛造工藝緊密相關。奧氏體不銹鋼在高溫變形時，其組織內部存在兩種相反的過程，即連續(xù)的加工硬化和動態(tài)再結晶。由于動態(tài)再結晶消除了加工硬化所積聚的位錯，提高了金屬及合金的熱塑性，細化晶粒，進而提高了材料的綜合性能。

大型鑄造鋼錠組織結構直接與最終產品的綜合性能相關聯，盡管目前國內外對奧氏體不銹鋼的鑄、鍛態(tài)下熱變形行為已有一些研究[2-8]，但就核電用奧氏體不銹鋼高溫組織演變與性能之間的關系還缺乏較系統(tǒng)的研究。本文用Gleeble-1500D熱模擬試驗機對鑄態(tài)及鍛態(tài)304 L不銹鋼的熱變形行為特征及微觀組織進行了比較研究，從304 L微觀組織演變來找出加工工藝參數等因素的影響規(guī)律，以便為304 L熱鍛工藝的制定提供有效的理論依據。

1 試驗材料及試驗方法

實驗材料通過真空感應爐煉得圓柱形鋼錠，成分符合304 L，化學成分見表1.將鋼錠軸線拋成兩半，一半用于制備鑄態(tài)試樣，另一半經初軋后制備鍛態(tài)試樣，初軋工藝條件為：初始軋制溫度1 250℃、變形量20%、變形速率為0.01s-1，軋制后的試件在1 050℃、保溫2 h進行固溶退火處理，獲得鍛態(tài)試樣。鑄態(tài)及鍛態(tài)試樣尺寸均為φ10 mm×15 mm.

表1 實驗用材的化學成分（質量分數，%）

采用Gleeble-1500D熱/力學模擬試驗機進行單向壓縮試驗。熱變形溫度為950℃～1 150℃（溫度間隔50℃），變形量為0.7，變形速率為0.1s-1.熱壓縮后的試件迅速水淬。壓縮試樣采用線切割將試樣沿軸向切開并進行金相樣品的磨拋制備，經腐蝕液1%CuSO4鹽酸溶液金相腐蝕后，觀察其顯微組織結構。

2 實驗結果及分析

2.1 304 L不銹鋼動態(tài)再結晶行為

圖1為變形速率0.1 s-1、變形量0.7時，不同變形溫度下鑄態(tài)304 L不銹鋼真應力-真應變曲線圖，可以看出，隨著應變量的增加應力值呈現上升趨勢。在變形初期，由于位錯密度增加所產生的應變硬化占據主導地位，導致流變應力增加；隨著應變量的增加，動態(tài)軟化作用增強，流變應力的增加趨于平緩；流變應力隨著溫度的升高而降低，變形溫度為950℃和1 000℃時，隨著應變量的增加應力值不斷增加，屬于加工硬化型；變形溫度為1050℃、1 100℃、1 150℃時，σ-ε曲線呈現出一穩(wěn)態(tài)的流變應力形態(tài)，屬于動態(tài)再結晶類型。

圖2為應變速率0.1s-1、變形量0.7時，不同變形溫度下鍛態(tài)304 L不銹鋼的真應力－真應變曲線圖，可以看出，950℃的曲線呈現出加工硬化特性，1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃曲線均呈現為動態(tài)再結晶特性，鍛態(tài)304 L不銹鋼在高溫變形過程中，隨著變形量的增加，應力僅在最初的變形階段有一個較大的增幅，很快便達到最大值，隨后變化趨于平緩，在圖中不出現明顯的應力峰值，表明加工硬化、動態(tài)再結晶處于平衡。同樣隨著變形溫度的升高，應力值呈下降趨勢。

比較鑄態(tài)和鍛態(tài)304 L不銹鋼應力－真應變曲線圖可以看出，鑄態(tài)的峰值應力低于鍛態(tài)的峰值應力，鑄態(tài)組織的動態(tài)再結晶明顯遲于鍛態(tài)組織。

2.2 變形溫度對高溫組織的影響

2.2.1 變形溫度對鑄態(tài)高溫組織的影響

鑄態(tài)304 L不銹鋼在應變速率0.1 s-1、變形量0.7，不同變形溫度下的微觀金相組織如圖2所示?？梢钥闯?，在該變形條件下，隨著變形溫度從900℃～1 150℃（溫度間隔50℃）的上升，原始晶粒發(fā)生了較大的變化，均沿變形方向被嚴重拉長。在900℃、950℃試樣中主要體現為晶粒被拉長，即加工硬化為主，這與圖1a）的應力-應變曲線相對應；在1 000℃、1 050℃試樣中在晶體變形的同時，局部區(qū)域主要是沿著原始晶界出現了少量的細小的晶粒，即發(fā)生了動態(tài)再結晶，但整體來講體現變形特征還是以加工硬化為主導，且隨著溫度增加再結晶區(qū)域也相應增加，溫度達到1 050℃時對應的試樣中動態(tài)再結晶過程較為完全，這也與圖1a）的應力-應變曲線相對應；在1 100℃和1 150℃非常細小的晶粒已經很少，局部區(qū)域有再結晶晶粒明顯粗化的傾向。

圖1 304 L真應力-真應變曲線圖

2.2.2 變形溫度對鍛態(tài)高溫組織的影響

鍛態(tài)304 L奧氏體不銹鋼在應變速率0.1 s-1、變形量0.7，不同變形溫度下的微觀金相組織如圖3所示?？梢钥闯?，在該變形條件下，變形溫度從950℃～1 200℃（溫度間隔50℃）的金相組織中，晶粒均沿變形方向發(fā)生了嚴重的拉長，但由于變形溫度不同，因而各變形區(qū)域發(fā)生的動態(tài)再結晶程度不同。在950℃試樣中主要體現為加工硬化，同時在晶界的局部區(qū)域可以看到沿著原始晶粒邊界而形成的細小的動態(tài)再結晶晶粒。從1 000℃、1 050℃壓縮試樣金相組織來看，在晶體變形的同時，和950℃相比發(fā)生動態(tài)再結晶的區(qū)域明顯增加，即溫度的提高有利于動態(tài)再結晶的形成，材料的變形特征逐步由加工硬化型轉向動態(tài)軟化型，這一變化趨勢與圖1的應力-應變曲線特征相對應；當溫度上升到1 100℃和1 150℃時，金相組織中已經絕大多數為非常細小的動態(tài)再結晶晶粒。但當溫度達到1 200℃時局部區(qū)域可看到有再結晶晶粒的長大傾向。

圖2 鑄態(tài)304L應變速率0.1 s-1、變形量0.7，不同變形溫度下的微觀組織

圖3 鍛態(tài)304L應變速率0.1 s-1不同變形溫度下的微觀金相組織

比較圖2和圖3可以看出，鑄態(tài)試樣和鍛態(tài)試樣在高溫時的熱變形組織變化類似。當變形溫度升高時，其相應的再結晶組織數量增加，當變形溫度較低時（鑄態(tài)小于1 000℃，鍛態(tài)小于950℃），304 L鋼僅在晶界處微小區(qū)域出現了動態(tài)再結晶現象，而隨著變形溫度的上升動態(tài)再結晶組織增多并趨于完全，但如繼續(xù)提高變形溫度如溫度高達1 200℃時，再結晶組織就會發(fā)生晶粒長大現象。

3 結論

在本實驗條件下，對鑄態(tài)和鍛態(tài)304 L不銹鋼高溫應力應變曲線進行了對比分析，并觀察了高溫變形過程動態(tài)再結晶組織的演變，研究結果表明：鑄態(tài)的峰值應力低于鍛態(tài)的峰值應力，鑄態(tài)組織的動態(tài)再結晶明顯遲于鍛態(tài)組織；隨著變形溫度的升高，鑄態(tài)和鍛態(tài)組織的動態(tài)再結晶百分數均增大。

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