高溫高應(yīng)變率對(duì)06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

張繼林，賈海深，易湘斌，竇建明，唐林虎，秦娟娟，徐創(chuàng)文

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅省精密加工技術(shù)及裝備工程研究中心,甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院,綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用甘肅省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050）

0 引言

奧氏體不銹鋼廣泛應(yīng)用于軍工、石油化工、生物工程等領(lǐng)域[1-5]，06Cr19Ni10 不銹鋼是一種典型（鉻-鎳）不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)06Cr19Ni10 不銹鋼零件的加工精度要求提高，其加工和使用受到高溫和動(dòng)態(tài)載荷作用，處于高溫高應(yīng)變狀態(tài)，因此，在高溫高應(yīng)變率條件下對(duì)它的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究勢(shì)在必行。

高溫高應(yīng)變率對(duì)力學(xué)性能影響的研究表明，隨著應(yīng)變率的增加，材料的應(yīng)力增加，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)；而隨著溫度的增加，材料的真實(shí)應(yīng)力減少，這種現(xiàn)象稱為溫度軟化效應(yīng)[6-10]。到目前為止，對(duì)06Cr19Ni10 不銹鋼的研究大多為高溫準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)和室溫動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，同時(shí)在高應(yīng)變率耦合高溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性研究較少，并且應(yīng)變速率和溫度對(duì)顯微組織的研究也較少。張紅等[11]人對(duì)某種不銹鋼材料在溫度20～800 ℃和應(yīng)變率103～104s-1下，得到材料在不同溫度和應(yīng)變率耦合作用下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。許澤建等[12]人報(bào)道了0Crl8Nil0Ti 焊接頭的母材和焊縫在25～600 ℃溫度和200～3 800 s-1應(yīng)變率下的力學(xué)性能。尚兵等[13]人研究了0CrlTMn5Ni4M03Al 不銹鋼在3 種應(yīng)變率(300、1 000、2 700 s-1)和4 種環(huán)境溫度(25、300、500、700 ℃)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。何著等[14]人測(cè)定了0Crl7Ni4Cu4Nb 不銹鋼在多種應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。魏玉偉等[15]人研究了馬氏體含量對(duì)1Cr17Ni1 雙相不銹鋼動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響。然而，上述文獻(xiàn)未對(duì)高溫高應(yīng)變率耦合下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，也未結(jié)合微觀組織進(jìn)行分析研究，為此高溫高應(yīng)變率耦合下研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和微觀組織顯得更為重要。

筆者利用高溫分離式霍普金森動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置，測(cè)試了06Cr19Ni10 不銹鋼在高溫和高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，得到了真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了不同應(yīng)變速率和不同溫度對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和顯微組織的影響（3 000 s-1）。此研究能夠補(bǔ)充06Cr19Ni10 不銹鋼的力學(xué)性能，可以為后續(xù)建立本構(gòu)方程和進(jìn)行數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

試驗(yàn)材料是從市場(chǎng)上購(gòu)買張家港浦項(xiàng)不銹鋼有限公司生產(chǎn)的30 mm 厚不銹鋼06Cr19Ni10 板材，除Fe 以外的主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical compositions of 06Cr19Ni10 stainless steel%

試驗(yàn)前材料經(jīng)過(guò)1 050 ℃加熱+保溫30 min+空冷的固溶處理后，首先采用線切割方式將材料加工成?3 mm×3 mm 圓柱試樣，保證試樣端面與圓柱面的垂直度，然后用碳化硅研磨紙拋光試樣的兩個(gè)端面，保證表面粗糙度Ra≤1.6 μm。

采用高溫分離式霍普金森動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同溫度和不同應(yīng)變率下的沖擊試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)四種溫度（25、100、200、300 ℃）和五種平均應(yīng)變速率（1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 s-1）下的動(dòng)態(tài)加載，試驗(yàn)用子彈長(zhǎng)度100 mm，壓桿直徑為8 mm。為了減少試驗(yàn)的誤差，沖擊試樣載荷面添加潤(rùn)滑劑，同時(shí)每種條件下進(jìn)行三次試驗(yàn)取平均值，得到真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，沿軸線切割回收試樣，研磨、拋光后制作成顯微樣本，使用FeCl3（5 g）+HNO3（50 mL）+H2O（100 mL）混合溶液腐蝕1 min 左右，清洗、干燥之后采用FEI Inspect F50 掃描電子顯微鏡對(duì)應(yīng)變率為3 000 s-1的變形后試樣進(jìn)行顯微組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

不同應(yīng)變率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分別如圖1所示?？梢钥闯?，在任意一種應(yīng)變率下，隨著溫度的增加，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于隨著溫度的升高，熱激活作用逐漸增強(qiáng)，原子動(dòng)能也逐漸增大，原子間的結(jié)合力逐漸減弱，位錯(cuò)滑移的臨界切應(yīng)力降低，材料的變形抗力降低。同時(shí)，隨著溫度的升高，材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核率增大，使晶核長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力增加，進(jìn)而使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化作用增強(qiáng)。在任意一種溫度下，隨著應(yīng)變率的增加，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于應(yīng)變速率增加，材料的臨界剪切應(yīng)力增大，在相同的應(yīng)變率下變形機(jī)制具有可比性。應(yīng)力值達(dá)到峰之前，在相同溫度和應(yīng)變率條件下，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大，這是由于在高的應(yīng)變下，位錯(cuò)密度增加。在整個(gè)變形范圍內(nèi)，真應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加，表明應(yīng)變率起主要作用，溫度起次要作用。進(jìn)一步得知，該材料具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)。此外，最大應(yīng)變隨著溫度和應(yīng)變率的增加而增加，應(yīng)變率從1 000 s-1增加到1 500 s-1時(shí)，最大應(yīng)變?cè)龇^明顯，其余階段有增加但不明顯。應(yīng)變率從1 000～1 500 s-1、1 500～ 2 000 s-1、2 000～ 2 500 s-1、2 500～3 000 s-1，應(yīng)變的最小值依次增加0.086 32、0.075 97、0.023 3、0.022，呈逐漸減少的趨勢(shì)；最大值依次增加0.131 1、0.067 49、0.035 54、0.027 89，也呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察，在同一應(yīng)變率下，彈性變形階段內(nèi)斜率隨著溫度的增加而減小，表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度降低。同時(shí)，在同一應(yīng)變率下，當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，塑性變形階段的斜率最大，表明應(yīng)變硬化效應(yīng)明顯。

圖1 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在不同應(yīng)變率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 The true stress-strain curves of 06Cr19Ni10austeniti c stainless steel deformed in different strain rates

2.2 溫度對(duì)真應(yīng)力的影響

不同應(yīng)變率下，溫度和應(yīng)變率的關(guān)系如圖2 所示。從圖2 可知，在任意應(yīng)變率下，隨著溫度的增加，應(yīng)力呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，表現(xiàn)出溫度軟化效應(yīng)，特對(duì)應(yīng)力峰值和屈服強(qiáng)度（彈性變形擬合直線與塑性變形擬合直線的交點(diǎn)）進(jìn)行論述。在不同應(yīng)變率下，峰值應(yīng)力和屈服強(qiáng)度隨溫度的關(guān)系如圖3 所示。如圖3(a)所示，峰值應(yīng)力隨著溫度的增加而減少，溫度從25 ℃增加到300 ℃時(shí)，應(yīng)變率為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 s-1的峰值應(yīng)力降幅分別是190.332、267.189、332.846、399.271、370.860 MPa，降幅程度不同，先逐漸變大后減小；如圖3(b)所示，屈服強(qiáng)度隨著溫度的增加而減少，溫度從25 ℃增加到300 ℃時(shí)，應(yīng)變率為1 000、1 500、2000、2 500、3 000 s-1的屈服強(qiáng)度降幅分別是195.016、217.825、231.459、233.66、210.917 MPa，降幅程度與峰值應(yīng)力有相似趨勢(shì)。

圖2 一定應(yīng)變率下真實(shí)應(yīng)力與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between true stress and temperature under a certain strain

圖3 （a）峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系；（b）屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.3 (a) The relationship between peak stress and temperature;(b) The relationship between yield strength and temperature

2.3 應(yīng)變率對(duì)真應(yīng)力的影響

對(duì)圖1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，得到同一溫度下不同應(yīng)變率的真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4 所示。在塑性變形范圍內(nèi)，當(dāng)溫度一定時(shí)，真應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增加，具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，但強(qiáng)化的程度不同。為了更加清楚的闡述應(yīng)變率對(duì)真應(yīng)力的影響，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.1 時(shí)，繪制不同溫度下的真應(yīng)力-應(yīng)變率曲線，如圖5 所示。當(dāng)應(yīng)變從1 000 s-1增加到3 000 s-1時(shí)，在溫度25、100、200、300 ℃下，真應(yīng)力分別增加212.307、235.612、169.713、169.530 MPa。在高應(yīng)變率下，應(yīng)變率對(duì)真應(yīng)力的影響程度明顯，可能由于較多的位錯(cuò)產(chǎn)生。當(dāng)溫度從25 ℃增加到100 ℃時(shí)，在應(yīng)變率為1 000、1 500、2000、2 500、3 000

圖4 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在一定溫度下不同應(yīng)變率的真實(shí)應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系的比較Fig.4 Comparison of the true strain-stress relationships of 06Cr19Ni10 austenitic stainless steel at different strain rates and fixed deformation temperatures

圖5 不同溫度下ε=0.1 時(shí)真實(shí)應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.5 The relationship between true stress and strain rate at ε=0.1 at different temperatures

s-1下，真應(yīng)力分別降低219.067、246.220、318.850、305.899、261.844 MPa。進(jìn)一步得知，應(yīng)變率對(duì)真應(yīng)力的影響程度弱于溫度。比如，溫度25 ℃應(yīng)變率1 000 s-1的真應(yīng)力大于溫度300 ℃應(yīng)變率3 000 s-1。這是應(yīng)變率硬化和熱軟化效應(yīng)之間競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，這種競(jìng)爭(zhēng)主導(dǎo)了整個(gè)變形過(guò)程。

2.4 顯微組織觀察

應(yīng)變率強(qiáng)化使材料塑性變形量增加，位錯(cuò)密度不斷增加，位錯(cuò)間的交互作用也不斷增強(qiáng)，使變形抗力增加；同時(shí)晶粒變形、破碎形成亞晶粒和亞晶界，亞晶界阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使材料的強(qiáng)度和硬度提高[16-22]。隨著溫度的增加，位錯(cuò)在變形過(guò)程中通過(guò)一定的方式運(yùn)動(dòng)，使部分位錯(cuò)相互抵消，導(dǎo)致變形帶密度降低，從而真應(yīng)力隨著溫度的增加而降低，表現(xiàn)為溫度軟化效應(yīng)。變形帶有變形孿晶、層錯(cuò)和位錯(cuò)組成。變形帶中變形孿晶[23-26]占絕大數(shù)，對(duì)形變起增強(qiáng)作用。形變孿晶開始于晶界，并向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，分裂晶粒。

一般情況下，奧氏體不銹鋼變形帶密度隨著溫度的增加而減少，隨著應(yīng)變率的增加而增加，低應(yīng)變率下孿晶相互平行，高應(yīng)變率下孿晶交織在一起[23,26]。當(dāng)應(yīng)變率為3 000 s-1時(shí)，在溫度25、100、200、300 ℃下變形后的顯微組織如圖6 所示。圖6中可以看出存在變形帶，呈現(xiàn)出交錯(cuò)的現(xiàn)象，阻礙位錯(cuò)滑移，位錯(cuò)堆積，變形帶密度增加，導(dǎo)致應(yīng)變率強(qiáng)化。圖6(a)至(h)有些孿晶相互平行，有些孿晶相互交織，交織的占大多數(shù)，變形帶密度依次遞減，使真應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著溫度增加，向下移動(dòng)，與試驗(yàn)曲線吻合。這正是由于隨著溫度的升高，熱激活作用增強(qiáng)，原子動(dòng)能增大，原子間的結(jié)合力減弱，位錯(cuò)滑移的臨界切應(yīng)力降低，材料的變形抗力降低。同時(shí)，材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核率增大，使晶核長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力增加，使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化作用增強(qiáng)。

圖6 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在應(yīng)變率3 000 s?1 下不同溫度變形后的微觀組織Fig.6 Microstructures of 06Cr19Ni10 austenitic stainless steel after deformation at different temperatures and a strain

3 結(jié)論

1）在應(yīng)變率1 000、1 500、2000、2 500、3 000 s-1下，隨著溫度的增加，真應(yīng)力減小，但減小的幅度不相同，峰值的應(yīng)變?cè)黾樱?6Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出明顯的溫度軟化效應(yīng)。

2）在溫度25、100、200、300 ℃下，隨著應(yīng)變率的增加，真應(yīng)力增加，增加的幅度不同，06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。

3）溫度軟化效應(yīng)和應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)與變形帶密度大小有關(guān)，高應(yīng)變率下，變形帶密度大，隨著變形溫度的增加變形帶密度降低，這與試驗(yàn)應(yīng)力的增減相吻合。

4）研究了06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在高溫高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和微觀組織，今后可以利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立此材料的本構(gòu)方程，為數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。