2205/Q345熱壓縮復(fù)合熱變形行為的研究

王 順，李玉貴，宋耀輝，張 健，趙廣輝

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 前言

雙相不銹鋼不僅具備良好的韌性，而且還具有更高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能。因此，雙相不銹鋼比奧氏體和鐵素體不銹鋼更具優(yōu)勢。全球在各種行業(yè)中對雙相不銹鋼的需求也在不斷增長，廣泛應(yīng)用到了石化、海洋、造紙、核能和發(fā)電等領(lǐng)域[1-5]。

陳治毓等通過實(shí)驗(yàn)研究建立本構(gòu)方程熱加工圖，分析了2205雙相不銹鋼高溫?zé)嶙冃涡袨?，以及?shí)驗(yàn)鋼的熱加工工藝[6];畢宗岳等采用爆炸復(fù)合技術(shù)，對2205雙相不銹鋼與碳鋼Q235進(jìn)行爆炸復(fù)合，制備出大面積雙相不銹鋼復(fù)合板，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合[7];舒先進(jìn)等對00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼，進(jìn)行了熱變形和加工性能分析[8];吳騰等研究了終軋溫度對熱軋雙相鋼組織與性能的影響，趙培林等研究了軋后冷卻對DP590熱軋雙相鋼組織及性能的影響[9,10];陳雷等采用熱力模擬試驗(yàn)研究了2205雙相不銹鋼的熱變形行為，分析相應(yīng)的組織演變規(guī)律[11];孫祺等人研究了2205雙相不銹鋼中析出相，并對其相應(yīng)的點(diǎn)蝕與耐腐蝕的作用規(guī)律展開分析[12]；張繼祥等研究了2205雙相不銹鋼中溫變形行為，對實(shí)驗(yàn)鋼變形抗力的影響因素進(jìn)行的分析探討[13];李殊霞等研究了σ相在2205雙相不銹鋼中的析出行為，并對其產(chǎn)生的規(guī)律開展探討[14];邢珊珊等開展了2205雙相不銹鋼進(jìn)行固溶處理實(shí)驗(yàn)，并對不同溫度下的固溶處理影響規(guī)律，進(jìn)行利用定量金相法及硬度法、電化學(xué)極化試驗(yàn)、電化學(xué)阻抗譜試驗(yàn)的方法研究固溶溫度與2205雙相不銹鋼微觀組織和鈍化膜特性之間的關(guān)系[15];劉燕平等研究了2205-Q345R爆炸復(fù)合板性能實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了熱處理工藝對組織性能的影響[16]；金賀榮、韓民峰應(yīng)用MSC. Marc軟件建立不銹鋼316L/微合金鋼EH40復(fù)合樣件熱壓縮成形的三維熱力耦合有限元模型，對復(fù)合樣件的熱壓縮過程進(jìn)行仿真研究[17]；為探究2205雙相不銹鋼/Q345碳鋼復(fù)合板熱軋復(fù)合工藝，本文采用熱模擬法對2205雙相鋼和Q345碳鋼的高溫?zé)嶙冃涡袨檫M(jìn)行系統(tǒng)研究，系統(tǒng)的研究不同溫度及應(yīng)變速率下2205/Q345熱壓縮復(fù)合熱變形行為以及界面微觀組織演變規(guī)律。以期為2205雙相不銹鋼復(fù)合板的復(fù)合工藝工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)的材料與方法

利用gleeble-3800熱模擬機(jī)對直徑10 mm、高度15 mm的2205、Q345小圓柱進(jìn)行了疊加對壓復(fù)合試驗(yàn)。試樣以5 ℃/s的，升溫速度，加升溫到1 230 ℃，保溫2 min，均勻化組織；然后以5 ℃/s的降溫速度，降到相應(yīng)的變形溫度，并保溫30 s，然后進(jìn)行熱壓縮復(fù)合變形。變形溫度T為850～1100 ℃，間隔50 ℃；變形溫度壓縮速率分別為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，真應(yīng)變?yōu)?.92。熱壓縮復(fù)合完成后，水冷以保留熱變形組織。

高溫壓縮后的試樣，切開后的一半試樣用于制備金相，取熱變形試樣的橫截面，對試樣進(jìn)行打磨，拋光，然后用4%的硝酸酒精溶液，進(jìn)行金相腐蝕；最后采用掃描電鏡分析復(fù)合界面組織。

2 宏觀結(jié)構(gòu)

圖1顯示了2205/Q345熱壓縮復(fù)合后的宏觀變形結(jié)構(gòu)。從不同溫度進(jìn)行分析可以看出，在低溫下(850～950 ℃)兩種試樣變形行為差距較大，其中Q345的變形量明顯大于2205，而達(dá)到1 000 ℃后，隨著溫度增加兩種材料變形行為趨于相近。從不同變形速率分析可以看出，隨著變形速率的增大，材料的變形越來越不規(guī)則，這是因?yàn)殡S著速率的升高，材料來不及均勻協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致。同時從圖1，分析可知，在變形溫度為1 050 ℃，變形速率為1～10 s-1時，2205/Q345變形行為最趨于相近。

圖1 熱壓縮復(fù)合試驗(yàn)宏觀結(jié)構(gòu)示意圖

3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2所示為2205/Q345熱壓縮復(fù)合試驗(yàn)在850～1100 ℃溫度范圍內(nèi)和0.01～10 s-1的應(yīng)變速率下真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從2205/Q345熱壓縮復(fù)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線上可看出，在壓縮復(fù)合變形初期，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而迅速增大，快速增加過后，流變應(yīng)力開始緩慢增加，直到達(dá)到峰值應(yīng)力。隨后，流變應(yīng)力趨于下降或保持穩(wěn)定狀態(tài)。不同的是，熱壓縮復(fù)合的應(yīng)力峰值高于2205雙相鋼但低于Q345碳鋼。

圖2 不同條件下的流變應(yīng)力曲線

4 動力學(xué)分析

流變應(yīng)力方程可以定量分析材料在熱變形過程中，各個變形條件之間相應(yīng)的內(nèi)在關(guān)系，在熱變形中，應(yīng)變速率與流變應(yīng)力呈現(xiàn)如下三種關(guān)系[20-22]。

(1)

(2)

(3)

方程(1)為冪函數(shù)型方程，一般應(yīng)用于具有低應(yīng)力水平的材料，對于高應(yīng)力水平的材料應(yīng)用指數(shù)型方程(2)，而Arrhenius雙曲正弦方程(3)卻能夠同時兼顧方程(1)、(2)兩種情況，更好地適用于大部分常規(guī)熱變情況，因此本文采用雙曲線方程(3)來建立2205/Q345熱壓縮復(fù)合的本構(gòu)關(guān)系。

流變應(yīng)力σ、應(yīng)變速率和變形溫度T的關(guān)系為

(4)

式中，Z為Zener-Hollomon 參數(shù)，即溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子。

對式(1)和式(2)兩邊分別取對數(shù)得到

(5)

(6)

圖3 不同溫度條件下的線性關(guān)系

對式(3)兩邊分別取對數(shù)整理可得

(7)

當(dāng)變形速率為定值時，設(shè)變形激活能Q不變，對式(3)取對數(shù)，整理得

(8)

得到不同變形條件下2205/Q345熱壓縮復(fù)合ln[sinh(ασ)]-1/T線性關(guān)系如圖4b所示，求出其斜率的平均值為Q/nR=9463.03803

對式(4)兩邊同時取對數(shù)可得

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(9)

將不同溫度下的變形速率和熱變形激活能Q代入式(4)，計(jì)算Z值。繪制擬合曲線，圖5c所示。

將以上所求的的參數(shù)帶入(3)，得到2205雙相鋼/Q345碳鋼熱壓縮復(fù)合的本構(gòu)方程(10)，即

(10)

4 微觀組織分析

圖5所示為放大1 000倍時溫度分別為850 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃時在0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1四種不同應(yīng)變速率下2205-Q345熱壓縮復(fù)合試樣大變形區(qū)域界面的SEM微觀結(jié)構(gòu)，界面下側(cè)是Q345，圖中可以看出，隨著變形速率的增大，界面的間隙先變小后變大，在應(yīng)變速率為0.1～1 s-1，界面平直，結(jié)合效果相對較好。而隨著溫度的增加，界面越來越明顯，尤其在1 050 ℃時界面清晰平直，復(fù)合效果好。

圖5 1000倍掃描電鏡大變形區(qū)域復(fù)合界面金相圖

從圖5中均可看出，Q345組織中晶粒的平均尺寸隨溫度的升高而增加。在1 000 ℃至1 050 ℃的溫度范圍內(nèi)，晶粒尺寸的變化程度比在850 ℃至1 000 ℃的溫度范圍內(nèi)更為明顯。通常，組織中晶粒的平均尺寸隨著應(yīng)變速率的增加而減小，但是當(dāng)在應(yīng)變率1～10 s-1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，晶粒的平均尺寸隨著應(yīng)變率的增加而增大，微觀結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)程度下降。在0.01 s-1至1 s-1的應(yīng)變速率范圍內(nèi)，晶粒尺寸逐漸均勻增大，但變化程度不如在1 s-1至10 s-1的應(yīng)變速率范圍內(nèi)晶粒尺寸的變化程明顯。

從5圖中可以看出，在850 ℃的低溫下界面相對不平整，而在1 000 ℃和1 050 ℃時則不會出現(xiàn)界面不平直現(xiàn)象。結(jié)果表明，在相對較低的溫度下更不容易發(fā)生復(fù)合。綜上所述，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變速率為1～10 s-1，溫度為1 050～1 100 ℃時熱壓縮復(fù)合效果相對較好。

5 結(jié)論