高溫合金Inconel 617B的熱變形及動態(tài)再結(jié)晶行為

羅 銳，陳樂利，程曉農(nóng)，楊玉艷，袁 飛，崔樹剛，張肖佩佩，曹 赟，劉 天，高 佩

(1.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司，江蘇宜興 214203)

0 引言

高溫合金Inconel 617B是在Inconel 617基礎(chǔ)上加入微量B元素而得到的Co-Mo固溶強化奧氏體合金[1]，具有優(yōu)異的高溫強度、高溫抗氧化性能和高溫耐腐蝕性能，在700 ℃時其高溫蠕變強度約為Inconel 617的1.25倍[2]，因而被列為制造第四代核能系統(tǒng)高溫氣冷堆中熱交換器的關(guān)鍵候選材料[3]。由于Inconel 617B沒有固態(tài)相變，因而熱變形成為控制其微觀組織、優(yōu)化其服役性能的關(guān)鍵手段。然而，國內(nèi)外現(xiàn)階段對該合金的研究集中在蠕變性能、抗氧化性能、析出行為等領(lǐng)域[4-8]，與熱變形相關(guān)的研究卻鮮有報道。

揭示材料在熱加工過程中的變形特性及其本構(gòu)關(guān)系是研究材料熱變形行為的基礎(chǔ)。因此，構(gòu)建高溫合金Inconel 617B的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線及高溫本構(gòu)模型具有重要意義。唯象型Arrhenius本構(gòu)模型可有效描述變形參數(shù)與變形抗力之間的關(guān)系，被廣泛用于構(gòu)建高溫合金[9]、不銹鋼[10]、鋁合金[11]等典型金屬材料的本構(gòu)關(guān)系。此外，動態(tài)再結(jié)晶(Dynamic Recrystallization,DRX)是高溫合金熱變形過程中細化晶粒、改善性能的有效手段[12]。確定材料發(fā)生DRX的臨界變形條件具有重要的工程與學(xué)術(shù)價值。Jonas等[13]認為，材料發(fā)生DRX的臨界應(yīng)變可通過加工硬化率曲線的拐點獲得，該理論已成功用于高溫合金[14]、鎂合金[15]等金屬材料的臨界再結(jié)晶預(yù)測。DRX發(fā)生后，不同變形參數(shù)對其動力學(xué)過程具有顯著影響，構(gòu)建Avrami動力學(xué)模型[16]有助于揭示金屬材料的DRX演變規(guī)律[17-18]。朱懷沈等[19-20]研究了617合金的再結(jié)晶行為，并建立了動態(tài)再結(jié)晶方程，且楊康等[20]給出了合金的再結(jié)晶動力學(xué)曲線，這對研究617B合金的動態(tài)再結(jié)晶行為具有重要的參考價值。

本文基于先進的Gleeble熱模擬技術(shù)系統(tǒng)，研究高溫合金Inconel 617B的熱變形及再結(jié)晶行為，繪制該合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，建立Arrhenius高溫本構(gòu)模型，用以描述變形參數(shù)對流變應(yīng)力的影響規(guī)律；基于Poliak-Jonas 理論，研究該合金的臨界DRX條件，明確不同變形溫度及速率下臨界變形量的演變特點；構(gòu)建高溫合金Inconel 617B動態(tài)再結(jié)晶Avrami動力學(xué)模型，揭示其動態(tài)再結(jié)晶隨應(yīng)變的發(fā)展進程及形核機制，為其在第四代核電等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

本研究試驗材料為Inconel 617B高溫合金(熱軋+固溶態(tài))，其化學(xué)成分見表1。其原始組織如圖1所示。

表1 高溫合金Inconel 617B的化學(xué)成分 %

圖1 Inconel 617B的原始金相組織

將合金加工為?8 mm×12 mm的圓柱試樣，利用Gleeble-3500型熱力模擬試驗機進行單道次等溫壓縮試驗。試驗參數(shù)為：變形溫度950～1 200 ℃(以50 ℃為間隔)，應(yīng)變速率0.01～5 s-1，真應(yīng)變0.8。壓縮前，在試樣與夾頭間加一層厚度0.05 mm的鉭片，并將K型熱電偶焊于試樣表面以檢測溫度。以10 ℃/s的速率將試樣升溫至預(yù)設(shè)的熱變形溫度，保溫30 s后進行恒溫恒應(yīng)變速率的熱壓縮變形。壓縮完成后立即將試樣進行氣淬、水淬。基于計算機自動采集的壓縮數(shù)據(jù)，繪制Inconel 617B合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，構(gòu)建Arrhenius本構(gòu)模型以及動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變應(yīng)力特征

圖2 Inconel 617B在不同變形參數(shù)下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 Arrhenius本構(gòu)方程的構(gòu)建

Sellars等[21]提出了一種Arrhenius型雙曲正弦本構(gòu)方程，以描述金屬材料在熱變形過程中的變形抗力與變形參數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)不同變形條件有3種表達式：

(1)

A1,n,α——材料常數(shù)；

σ——形變抗力，MPa；

Q——材料熱變形激活能，kJ/mol；

R——理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；

T——變形溫度，K。

(2)

式中A2,β——材料常數(shù)。

(3)

式中A——材料常數(shù)；

n——材料表觀應(yīng)力指數(shù)。

3種表達式中，通常選用式(3)來描述材料的熱變形特性。

×exp(-56996.27/T)

(4)

(a)n1=6.891 3

(b)β=0.026 6

(c)n=4.948 8

(d)Q=473.867 kJ/mol

(e)lnA=39.992 1

2.3 動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型的構(gòu)建

2.3.1 臨界DRX模型的構(gòu)建

材料在熱加工過程中，變形導(dǎo)致位錯增殖，引起加工硬化，同時材料內(nèi)部的形變儲存能增加。當(dāng)變形量增大到某一臨界點時，形變儲存能達到閾值，會驅(qū)動DRX發(fā)生，產(chǎn)生動態(tài)軟化效應(yīng)，因而確定DRX的臨界點對熱加工工藝的制定具有重要的指導(dǎo)意義。Jonas等[13]認為，材料在峰值應(yīng)力出現(xiàn)前，真應(yīng)變(ε)與加工硬化率(θ，θ=dσ/dε)的三次多項式擬合曲線的拐點對應(yīng)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界條件，表達式如下：

θ=Aε3+Bε2+Cε+D

(5)

式中A,B,C,D——給定變形條件下的常數(shù)；

ε——真應(yīng)變。

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，lnθ-ε和θ-ε的拐點意義相同，且前者繪圖后拐點更為清晰。圖4示出高溫合金Inconel 617B在不同變形條件下的的lnθ-ε三次多項式擬合曲線，均呈現(xiàn)動態(tài)軟化特征。在變形初期，動態(tài)回復(fù)出現(xiàn)，加工硬化率隨真應(yīng)變的增加線性遞減；隨后，曲線出現(xiàn)了明顯的拐點，表明DRX開始出現(xiàn)，拐點橫坐標即為材料的臨界應(yīng)變量；此后DRX迅速發(fā)展，軟化效應(yīng)大幅提升，引起加工硬化率的加速下降。

圖5為Inconel 617B在不同變形條件下的(-dlnθ/dε)-ε關(guān)系曲線，曲線的最小值點對應(yīng)lnθ-ε三次多項式擬合曲線的拐點，也即材料的臨界應(yīng)變點。通過(-dlnθ/dε)-ε關(guān)系曲線可更為準確地確定DRX臨界條件，以便分析其變化規(guī)律。隨著變形溫度的降低和變形速率的增加，Inconel 617B的臨界應(yīng)變點呈現(xiàn)增大的趨勢，這意味著在高溫或低應(yīng)變速率下更容易發(fā)生DRX。

圖5 Inconel 617B的(-dlnθ/dε)-ε關(guān)系曲線

有學(xué)者[14]證實金屬材料DRX的臨界應(yīng)變與峰值應(yīng)變呈線性關(guān)系。圖6(a)為Inconel 617B的εc-εp線性擬合圖，擬合相關(guān)性為97.8%，臨界應(yīng)變與峰值應(yīng)變幾乎呈正比例關(guān)系，其關(guān)系式如下：

εc=0.524εp

(6)

式中εc——臨界應(yīng)變；

εp——峰值應(yīng)變。

Z參數(shù)可用于描述金屬材料的臨界DRX行為，Inconel 617B的Z參數(shù)在上文已確定：

(7)

圖6(b)為Inconel 617B的εc-lnZ線性擬合圖，擬合相關(guān)性達94.6%，臨界應(yīng)變與Z參數(shù)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，如式(8)所示。通過式(6)和式(8)可有效預(yù)測不同變形參數(shù)下Inconel 617B的臨界DRX條件。

εc=0.207lnZ-10.464

(8)

(a)εc - εp擬合 (b)εc- lnZ擬合

2.3.2 DRX動力學(xué)

構(gòu)建Inconel 617B的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型是揭示其DRX特性的有效手段，可預(yù)測該合金在不同變形量下發(fā)生DRX的程度以及DRX的形核特點[16]。一般來說，金屬材料在熱變形過程中的DRX行為遵循Avrami定律：

(9)

式中XDRX——材料發(fā)生DRX的程度；

k，m——Avrami參數(shù)，由材料成分及變形參數(shù)決定。

有研究[20]表明，當(dāng)DRX作為材料熱變形過程中的軟化機制時，XDRX與變形抗力的變化直接相關(guān)：

(10)

式中σp——峰值應(yīng)力，MPa；

σ——材料在熱變形過程中的瞬時變形抗力，MPa；

σss——穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，MPa。

以上數(shù)據(jù)均可通過熱壓縮試驗獲得。

將式(10)代入式(9)，并對所得方程的兩側(cè)取自然對數(shù)，可得：

(11)

將ln[-ln(1-XDRX)]與ln[(ε-εc)/εp]進行線性擬合，則lnk和m分別表示擬合直線的截距和斜率，得到k和m的值，進而確定材料的Avrami方程。

圖7 不同變形條件下的ln[-ln(1-XDRX)]與ln[(ε-εc)/εp]擬合曲線

圖7示出不同變形條件下的ln[-ln(1-XDRX)]與ln[(ε-εc)/εp]擬合曲線，將所有直線的截距和斜率取均值，即可得到k和m的值分別為0.185，2.91，則Inconel 617B的Avrami方程為：

(12)

文獻[23]表明，當(dāng)m的值介于1～3之間時，材料的主要DRX形核點是原始晶界，伴隨鏈狀組織的產(chǎn)生。Inconel 617B的m值為2.91，這意味

著在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，原始奧氏體晶界是其DRX的主要形核點，DDRX是該合金的主要DRX形核機制。

基于式(12)，計算出Inconel 617B在不同變形參數(shù)下的動態(tài)再結(jié)晶程度，并繪制Avrami曲線，如圖8所示。隨著應(yīng)變的增加，DRX程度呈S形從0增加至1，且變形溫度越高、變形速率越小，則DRX的孕育期越短，完成DRX所需的應(yīng)變量也越小，因此，提高變形溫度或減小變形速率有利于促進Inconel 617B的DRX行為。

圖8 不同變形條件下的Avrami曲線

3 結(jié)論

(1)通過Gleeble熱壓縮試驗，研究了高溫合金Inconel 617B在變形溫度950～1 200 ℃，變形速率0.01～5 s-1條件下的熱加工特性，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線表明，熱變形抗力隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而顯著減小，且曲線均呈現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶特征。

(2)構(gòu)建了Inconel 617B基于峰值應(yīng)力的Arrhenius本構(gòu)模型，用以預(yù)測不同變形參數(shù)下的變形抗力，本構(gòu)參數(shù)n表明在熱變形過程中發(fā)生了位錯攀移現(xiàn)象，熱變形激活能Q確定為473.867 kJ/mol，進而確定Z參數(shù)(見式(7))。

(3)基于Avrami理論確定了Inconel 617B的臨界DRX條件，DRX臨界應(yīng)變隨變形溫度的升高和變形速率的降低而減小，峰值應(yīng)變與臨界應(yīng)變、Z參數(shù)與臨界應(yīng)變的線性擬合優(yōu)度分別為97.8%和94.6%。

(4)建立了Inconel 617B的DRX動力學(xué)模型，變形溫度越高、變形速率越小，則DRX的孕育期越短，完成DRX所需的應(yīng)變量也越小。在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，原始奧氏體晶界是發(fā)生DRX的主要形核點，且以DDRX為主導(dǎo)。