鑄態(tài)309L不銹鋼的熱變形行為及熱加工圖分析

宋耀輝，李玉貴，王 順，張 健，李華英

(太原科技大學 太原重型機械裝備協(xié)同創(chuàng)新中心,山西 太原 030024)

0 前言

不銹鋼中鐵素體的存在可提高奧氏體鋼的溫室強度和導熱性，降低其線性膨脹系數(shù)和焊接熱裂紋傾向，同時大大提高了其耐點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕磨損腐蝕性能等[1-4]。309L奧氏體不銹鋼因其含有一定比例的鐵素體，常作為不銹鋼焊帶，應用于冶金、石油化工行業(yè)的反應堆、壓力容器的制造中，主要用于關鍵結構內壁過渡層堆焊及塔內構件焊接等[5-8]。在以往的研究中，針對309L不銹鋼的研究主要集中在耐腐蝕性方面[9-10]和焊接性能方面[11-14]，對這種材料的熱變形行為所做的工作很少。為了改善309L不銹鋼的性能，必須了解鋼的熱變形行為，仔細設計熱加工參數(shù)。

本研究采用鑄態(tài)309L不銹鋼板坯料，利用Gleeble-3800熱模擬機，進行熱壓縮變形實驗，分析其熱變形行為，構建鑄態(tài)309L不銹鋼峰值應力下相應的本構方程；并依據(jù)相應的變形曲線，繪制本實驗鋼的熱加工圖。

1 實驗過程

實驗材料來自太鋼自主研發(fā)冶煉的309L不銹鋼鑄坯，其化學成分見表1，309L不銹鋼的熱加工工藝如圖1所示。為了能更好的結合生產(chǎn)實踐，反映實際的熱加工材料的變形過程，試樣采用原始鑄態(tài)組織，沿厚度方向切若干Φ10 mm×15 mm圓柱體。采用Gleeble-3800熱模擬機對加工好的試樣進行軸向等溫熱壓縮試驗。熱壓縮變形溫度：900～1 100 ℃，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和10 s-1，真應變?yōu)?.92。在本實驗中Q345試樣在Gleeble-3800型熱壓縮模擬試驗機，進行熱壓縮實驗，試樣以5 ℃/s的速度升溫，加升溫到1 230 ℃，保溫3 min，均勻化組織；然后以5 ℃/s的速度降溫，降到相應的變形溫度進行壓縮變形，熱壓縮完成后，水冷以保留熱變形組織。

表1 309L不銹鋼的主要化學成分(%)

圖1 309L不銹鋼的熱加工工藝圖

2 結果與討論

2.1 應力應變曲線

通過Gleeble-3800熱模擬試驗機采集壓縮過程中應力應變數(shù)據(jù)，然后通過Origin繪圖軟件對數(shù)據(jù)進行處理并繪制熱壓縮應力應變曲線。鑄態(tài)309L不銹鋼在不同變形溫度和應變速率下的典型真應力應變曲線如圖2所示。流動應力值隨著應變速率的增加和溫度的減小而增大。在塑性變形的開始階段，位錯快速增殖，組織產(chǎn)生硬化，使得材料的變形抗力顯著增加，呈現(xiàn)加工硬化狀態(tài)，此時應力快速增長，隨后真應變達到一定值后，相應應力增大緩慢，曲線斜率減緩，此時流變壓力曲線表現(xiàn)為動態(tài)回復特征。最后隨著真應變繼續(xù)的增加，流變曲線呈緩慢下降狀態(tài)，這是由于金屬內部組織發(fā)生相應的動態(tài)再結晶軟化行為。當金屬內部變形產(chǎn)生的動態(tài)軟化與加工硬化達到平衡狀態(tài)，流變應力曲線趨于水平。如溫度1 100 ℃應變速率為0.01 s-1曲線為典型的再結晶曲線，即達到峰值應力后曲線緩慢下降至穩(wěn)定狀態(tài)，表明在該變形條件下存在DRX現(xiàn)象。

圖2 鑄態(tài)309L不銹鋼不同變形工藝下的應力應變曲線

2.2 動態(tài)分析

(1)

(2)

(3)

對(1)、(2)、(3)兩邊分別取對數(shù)得

(4)

(5)

(6)

圖3 309L不銹鋼熱變形峰值應力與應變速率、溫度、參數(shù)Z的關系

金屬材料在高溫變形時，應變速率、變形溫度、流動應力之間的關系可以通過Zener-Hollomon參數(shù)來表示

(7)

對式(7)取對數(shù)得

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(8)

將各參數(shù)帶入式(8)，繪制ln[sinh(ασ)]與lnZ的關系曲線如圖，并根據(jù)圖3e得到lnA，最后求得A為5.38×1013。

將計算結果A、α、n和Q帶入公式 (3)可以得出309L不銹鋼的本構方程為

(9)

2.3 熱加工圖

熱加工圖的建立可以有效的預測金屬材料熱加工性能的好壞，是確定材料工藝參數(shù)的重要環(huán)節(jié)。通過對熱加工圖的繪制與分析，可以避免失穩(wěn)區(qū)，并找到高消耗值的區(qū)域，從而為材料的加工性能提供參考[20-22]。

Prasad在原有模型的基礎上進行進一步改良，提出了動態(tài)材料模型(DMM)。本論文采用DMM模型，繪制鑄態(tài)309L不銹鋼的熱變形過程中的熱加工圖。在金屬材料的熱加工過程中，單位體積的金屬材料從外界所吸收的總能量P轉化為耗散協(xié)量J和耗散量G，其關系可表示為

(10)

敏感因子m可以表示消耗能量的多少

(11)

耗散因子η表示的是在熱塑性過程中所用耗散協(xié)量占線性耗散協(xié)量的比值

(12)

根據(jù)熱力學不可逆原理，流變失穩(wěn)的判定依據(jù)為

(13)

根據(jù)不同溫度下的各應變速率的η和采用三次B樣條插值法擬合求出功率耗散因子及失穩(wěn)因子，耦合疊加構成鑄態(tài)309L不銹鋼的熱加工圖，如圖4所示。

圖4 鑄態(tài)309L不銹鋼熱加工圖

圖4為309L不銹鋼在應變溫度為900～1 100 ℃，應變速率為0.01～10 s-1的熱加工圖，等高線數(shù)值代表η%值，陰影區(qū)為ξ值為負值的不穩(wěn)定區(qū)域。等值線上的高耗散值集中在右下角和右上角區(qū)域，因為這些區(qū)域預示著變形過程中微觀組織轉變消耗的能量越多，發(fā)生動態(tài)回復和動態(tài)再結晶的程度越高，加工后材料的性能越好。左側陰影部分為流變失穩(wěn)區(qū)，此區(qū)域為低溫和高應變速率區(qū)，在此條件下容易出現(xiàn)局部變形，絕熱剪切帶，甚至扭折開裂等流變失穩(wěn)現(xiàn)象。圖4可以看出溫度在900～920 ℃時，應變速率在0.1～10 s-1時容易發(fā)生失穩(wěn)；當溫度處于1 050～1 100 ℃、應變速率在0.01～0.05 s-1時和溫度在1 030～1 100 ℃、應變速率在3.1～10 s-1時的能量耗散值較大，材料具有較好的工藝性能。因為耗散值大，容易發(fā)生動態(tài)再結晶，可以更好地抵消或消除加工硬化得到。因此當溫度處于1 050～1 100 ℃、應變速率在0.01～0.05 s-1時和溫度在1 030～1 100 ℃、應變速率在3.1～10 s-1時，309L不銹鋼具有最佳的工藝，有良好的熱加工性能。

3 結論

通過熱壓縮試驗，研究了鑄態(tài)309L奧氏體不銹鋼在900～1 100 ℃和0.01～10 s-1應變速率下的熱變形行為。根據(jù)研究結果，可以得出如下結論：

(1)在變形溫度為900～1 100 ℃、應變速率為0.01～10 s-1的條件下，309L不銹鋼的流動應力，對其變形溫度和應變速率更敏感；流變應力隨變形溫度升高和變形速率的降低而減小。

(2)該實驗鋼熱變形激活能Q=353.7 kJ/mol，應力指數(shù)n=5.0871。所建立的熱變形本構方程為

exp(-353270/RT)

(3)熱變形溫度在1 050～1 100 ℃、應變速率在0.01～0.05 s-1時和溫度在1 030～1 100 ℃、應變速率在3.1～10 s-1時，309L不銹鋼具有最佳的工藝，有良好的熱加工性能。