鑄態(tài)1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼熱變形行為研究

王輝亭，周燦棟，任濤林，文道維，高秀玲，李文君，戚彩夢(mèng)，霍 巖

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鑄態(tài)1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼熱變形行為研究

王輝亭1，周燦棟2，任濤林3，文道維3，高秀玲3，李文君3，戚彩夢(mèng)3，霍 巖3

（1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海201900；3. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

熱變形；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；激活能

0 前言

奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N由于具有優(yōu)良的抗腐蝕性能、力學(xué)性能成為護(hù)環(huán)用材的首選。1Mn18Cr18N鋼護(hù)環(huán)的一般生產(chǎn)工序?yàn)椋簾掍?鑄錠-鍛造電極-電渣重熔-鋼錠加熱-鐓粗-拔長(zhǎng)-鐓粗-沖孔-擴(kuò)孔-芯棒拔長(zhǎng)-平整-固溶熱處理-變形強(qiáng)化-消應(yīng)力處理-取樣檢測(cè)-加工交貨等。該鍛件內(nèi)部組織要求很高，總體的鍛造比應(yīng)該大于5。護(hù)環(huán)熱鍛后需進(jìn)行UT（超聲波）探傷，最終還需要冷變形強(qiáng)化。1Mn18Cr18N鋼合金元素含量高，可鍛溫度區(qū)間較窄，在成形過(guò)程中很容易出現(xiàn)裂紋與粗晶等。因此，控制晶粒尺寸及其均勻性成為保證超聲波探傷合格并獲得良好的冷變形強(qiáng)化工藝性能的關(guān)鍵[1-3]。基于以上的實(shí)際工藝性能的考慮，必須了解奧氏體不銹鋼1Mn18Cr18N的熱變形行為，利用熱物理模擬試驗(yàn)機(jī)和數(shù)值分析的方法，建立材料的熱變形本構(gòu)方程，并得出屈服應(yīng)力的演變關(guān)系方程，為護(hù)環(huán)毛坯熱鍛工藝的制訂提供有力的理論保障和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)采用的鑄態(tài)材料由上海寶山鋼鐵股份有限公司提供，材料的化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分

熱變形試驗(yàn)在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用碳化鎢圓柱形壓頭，在試樣端部涂抹一層鎳基高溫潤(rùn)滑劑，試樣尺寸為，在試樣和壓頭之間填加鉭片防止高溫下壓頭與奧氏體不銹鋼發(fā)生粘合。變形溫度為950oC、1000oC、1050oC、1100oC、1150oC和1200oC，應(yīng)變速率為1 S-1、0.1 S-1、0.01 S-1、0.001S-1。分別將試樣以10oC/s加熱到1250oC，然后冷卻到設(shè)定的變形溫度，并在此溫度保溫5min，然后以不同的應(yīng)變速率壓縮到真應(yīng)變0.92，壓縮熱變形結(jié)束，瞬間進(jìn)行水淬處理。用王水腐蝕液來(lái)制備試樣，并在OLYMPUS-PMG3金相顯微鏡下觀察金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

不同溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖可以看出，不同應(yīng)變速率和變形溫度條件下，1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有相似性。當(dāng)應(yīng)變速率低于0.01，在熱壓縮的開始階段，流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇地增加，為加工硬化階段；當(dāng)流變應(yīng)力超過(guò)某一應(yīng)力值后，流變應(yīng)力的增速明顯減緩，為動(dòng)態(tài)回復(fù)階段；當(dāng)真應(yīng)變超過(guò)某一數(shù)值后，流變應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后逐漸趨于穩(wěn)定或有所下降，顯微組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化過(guò)程，變形溫度越高軟化效果越明顯。當(dāng)應(yīng)變速率高于0.05時(shí)，在熱壓縮的開始階段，流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇地增加，為加工硬化階段；當(dāng)流變應(yīng)力超過(guò)某一應(yīng)力值后，流變應(yīng)力的增速明顯減緩，為動(dòng)態(tài)回復(fù)階段；當(dāng)真應(yīng)變超過(guò)某一數(shù)值后，流變應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后逐漸增加，變形溫度越低硬化效果越明顯。以上結(jié)果說(shuō)明1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)變速率非常敏感，具有明顯的正應(yīng)變速率敏感性[4]，即隨著應(yīng)變速率的升高，材料的流動(dòng)應(yīng)力顯著升高。這是因?yàn)樵谳^高的應(yīng)變速率下，位錯(cuò)的增值率顯著增大，加工硬化的作用比動(dòng)態(tài)軟化的效果更加明顯。而在較低的應(yīng)變速率下，在變形的初期，加工硬化的速度大于動(dòng)態(tài)軟化的速度，曲線急劇地上升；隨著變形的繼續(xù)，動(dòng)態(tài)軟化的速度大于加工硬化的速度，曲線會(huì)逐漸地下降。

Sellars和Tegart提出合金在高溫變形的過(guò)程中流變應(yīng)力和變形溫度、應(yīng)變速率之間在不同的應(yīng)力狀態(tài)下可以用三種模型來(lái)描述：

（1）用指數(shù)關(guān)系來(lái)描述低應(yīng)力狀態(tài)

（2）用冪函數(shù)來(lái)描述高應(yīng)力狀態(tài)

（3）用雙曲正弦關(guān)系來(lái)描述在所有的應(yīng)力水平狀態(tài)

影響熱變形過(guò)程的因素主要有變形溫度、應(yīng)變速率和變形量，其中變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)熱變形過(guò)程的影響更為顯著。本文采取模型（3）來(lái)表達(dá)流變應(yīng)力與變形條件之間關(guān)系。

本文通過(guò)圖1的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖獲取了不同溫度和應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力，如表2所示。

表2 不同溫度和應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力

圖2為熱變形峰值應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系，應(yīng)變速率一定時(shí)，鑄態(tài)1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼的熱變形應(yīng)力峰值與10000/T呈線性關(guān)系，即隨著變形溫度的升高，熱變形峰值應(yīng)力迅速降低。圖3為應(yīng)變速率對(duì)峰值應(yīng)力的影響，可以看出在同一變形溫度下，鑄態(tài)1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼的熱變形峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)關(guān)系呈線性關(guān)系，這說(shuō)明隨著應(yīng)變速率的增加，峰值應(yīng)力呈線性增加。圖4 為熱變形峰值應(yīng)力與Z的對(duì)數(shù)關(guān)系，Z參數(shù)（Zener-Hollomom參數(shù)）是溫度校正過(guò)的應(yīng)變速率，它被廣泛用來(lái)表示變形溫度以及應(yīng)變速率對(duì)熱變形過(guò)程的綜合作用，通過(guò)已求得的熱變形激活能值，可以計(jì)算出奧氏體不銹鋼熱變形的參數(shù)（=exp(Q/RT) =[sinh(ασ)]n）。從圖4可以看出隨著值的增加奧氏體不銹鋼的熱變形峰值應(yīng)力也相應(yīng)增加。

圖5所示為，應(yīng)變量為0.92，不同溫度和應(yīng)變速率下的熱變形微觀組織。圖5（a）為加熱至950℃應(yīng)變速率為0.1時(shí)的金相組織，從圖可以看出由于變形溫度較低和應(yīng)變速率較大，金相組織呈纖維組織，組織的伸長(zhǎng)方向與壓縮方向成90°；圖5（b）為加熱至1050℃應(yīng)變速率為0.05時(shí)的金相組織，從圖可以看出，金相組織中大部分呈纖維組織，小部分組織為再結(jié)晶組織；圖5（c）和（d）分別為加熱至1150℃應(yīng)變速率為0.005和1200℃應(yīng)變速率為0.001時(shí)的金相組織，從圖可以看出，由于變形溫度較高和應(yīng)變速率較小，金相組織為完全再結(jié)晶組織。

圖2 熱變形峰值應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系

圖3 熱變形峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)關(guān)系

圖4 熱變形峰值應(yīng)力與Z的對(duì)數(shù)關(guān)系

（a）950℃應(yīng)變速率為0.1

（b）1050℃應(yīng)變速率為0.05

（c） 1150℃應(yīng)變速率為0.005

（d）1200℃應(yīng)變速率為0.001

圖5 不同溫度和應(yīng)變速率下的熱變形微觀組織

3 結(jié)論

（1）鑄態(tài)1Mn18Cr18N奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)變速率非常敏感，具有明顯的正應(yīng)變速率敏感性，即在較高的應(yīng)變速率下，位錯(cuò)的增殖率顯著增大，加工硬化的作用比動(dòng)態(tài)軟化的效果更加明顯。而在較低的應(yīng)變速率下，在變形的初期，加工硬化的速度大于動(dòng)態(tài)軟化的速度，流變應(yīng)力急劇地增加；隨著變形的繼續(xù)，動(dòng)態(tài)軟化的速度大于加工硬化的速度，流變應(yīng)力會(huì)逐漸地下降。

[1] 王艷, 王明家, 蔡大勇, 等.高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼的熱變形行為及其熱加工圖[J].材料熱處理學(xué)報(bào), 2005, 26(4): 65-68.

[2] 劉文昌, 王明智, 鄭燦曾.18Mn-18Cr-0.5N奧氏體護(hù)環(huán)鋼熱變形力學(xué)行為研究[J]. 熱加工工藝, 1992, 2: 6-8.

[3] 郭銀芳, 劉建生, 何文武. Mn18Cr1818N護(hù)環(huán)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為及功率耗散圖[J].機(jī)械工程材料, 2010, 34(3): 5-8.

[4] Zener C,Hollomon JH.Effect of strain rate upon plastic flow of steel[J].Journal of Applied Physics, 1944(15):22.

The Hot Deformation Behavior of As-cast Austenitic Stainless Steel 1Mn18Cr18N

WANG Huiting1, ZHOU Candong2, REN Taolin3, WEN Daowei3, GAO Xiuling3, LI Wenjun3, QI Caimeng3, HUO Yan3

(1.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2.Research Institute of BaoshanIron&Steel Co., LTD, Shanghai 201900, China; 3. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

hot deformation; dynamic recrystallization; activation energy

TM303

A

1000-3983(2014)05-0031-04

2014-04-11

國(guó)家“863”課題《先進(jìn)超超臨界火電機(jī)組關(guān)鍵葉片和護(hù)環(huán)鋼開發(fā)》（編號(hào): 2012AA03A502）

王輝亭（1974-），1997年畢業(yè)于南昌航空工業(yè)學(xué)院金屬材料及熱處理專業(yè)，2007年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料工程專業(yè)獲工程碩士學(xué)位，長(zhǎng)期從事水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)材料的研發(fā)和應(yīng)用工作，高級(jí)工程師。

審稿人：過(guò) 潔