23Cr-8Ni不銹鋼熱變形行為及熱加工圖

張寶偉，黃冬，張玉祥，程彬，劉智超，陳權(quán)，吳鳳燁

中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471023

1 序言

23Cr-8Ni是一種高強(qiáng)、高氮奧氏體不銹鋼，通過添加氮元素提高強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度超過800MPa。該鋼還在研制階段，由于沒有成熟熱加工工藝，在小批量試制過程中，操作人員往往根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不斷嘗試、摸索[1]，常出現(xiàn)軋制開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了成材率，為了減少材料浪費(fèi)，應(yīng)建立該鋼的熱加工圖。熱加工圖是由PRASAD等依據(jù)動態(tài)材料模型（DMM）相關(guān)理論提出來的，它能直觀地反應(yīng)不同變形條件下內(nèi)部顯微組織的演變規(guī)律，借此評估材料加工性能的優(yōu)劣，制定和優(yōu)化材料的熱加工工藝[2，3]。本文進(jìn)行了23Cr-8Ni不銹鋼不同應(yīng)變速率和不同溫度下的等溫壓縮試驗(yàn)，研究了流動應(yīng)力、微觀組織與應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系，建立23Cr-8Ni不銹鋼的熱加工圖，為合理制定該鋼的熱加工工藝提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為23Cr-8Ni不銹鋼，在軋制后的鋼板上取樣，試樣尺寸為φ10mm×15mm，如圖1所示。該鋼的基本力學(xué)性能見表1。

表1 23Cr-8Ni不銹鋼基本力學(xué)性能

圖1 熱壓縮試樣

初始金相組織為孿晶奧氏體，平均晶粒度為6級，如圖2所示。

圖2 初始金相組織

2.2 試驗(yàn)方法

利用GLEEBLE3500熱力模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃和1250℃，應(yīng)變速率分別為0.001/s、0.01/s、0.1/s、1/s和10/s，在壓縮過程中保持溫度和應(yīng)變速率恒定。壓縮前在試樣兩側(cè)加石墨片和鉭片，以減少摩擦對應(yīng)力的影響，同時避免試樣與砧子的高溫黏結(jié)。試驗(yàn)時以10℃/s的升溫速度加熱到試驗(yàn)溫度，保溫5min，再以不同的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮，最大真應(yīng)變?yōu)?.7，壓縮完成后快速將試樣放入水中冷卻。每個試驗(yàn)條件做一個試樣，壓縮后的試樣沿軸向截面進(jìn)行線切割，對截面進(jìn)行拋光和腐蝕處理，然后進(jìn)行金相組織觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同壓縮溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可看出，溫度和應(yīng)變速率對23Cr-8Ni不銹鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線影響顯著，存在明顯的應(yīng)變速率強(qiáng)化現(xiàn)象和溫度軟化現(xiàn)象，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線能夠顯示流動應(yīng)力與熱動力學(xué)行為之間的內(nèi)在關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變速率為0.001/s、溫度為1000℃和1050℃時，真應(yīng)力迅速達(dá)到最大值，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐漸減少（見圖3a），這是因?yàn)閯討B(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化效應(yīng)大于加工硬化效應(yīng)。此時應(yīng)變速率小（0.001/s），變形時間長，變形試樣有充分的時間進(jìn)行動態(tài)再結(jié)晶。在其他條件下，真實(shí)應(yīng)力先逐漸增加，達(dá)到峰值應(yīng)力后逐漸降低，說明峰值應(yīng)力之前，加工硬化效應(yīng)大于動態(tài)軟化效應(yīng)，峰值應(yīng)力之后，動態(tài)軟化效應(yīng)大于加工硬化效應(yīng)。

圖3 不同應(yīng)變速率和變形溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

3.2 微觀組織

（1）溫度對微觀組織的影響 23Cr-8Ni不銹鋼在不同壓縮條件下的顯微組織如圖4所示。當(dāng)＝0.1/s、T＝1000℃時，晶粒經(jīng)過壓縮變形后被壓扁和破碎化，動態(tài)再結(jié)晶時通過形核和長大的方式消除形變基體中的位錯及亞晶界等變形缺陷，再結(jié)晶晶粒在長大過程中還存在壓縮變形，少數(shù)再結(jié)晶晶粒粗大并呈扁平狀，由于溫度較低，大部分晶粒細(xì)?。ㄒ妶D4a）；T＝1100℃時，隨著溫度的增加，晶粒尺寸長大，但隨著持續(xù)壓縮，大晶粒被壓縮變得扁平，動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力一般是由金屬的變形儲存能提供，在大晶粒周圍有細(xì)小的晶粒，形成具有“項(xiàng)鏈”特征的動態(tài)再結(jié)晶晶粒（見圖4b）；當(dāng)T＝1250℃時，由于溫度升高，晶粒長大明顯，大部分晶粒粗大（見圖4c）。

圖4 不同壓縮條件下的顯微組織

3.3 熱加工圖

真實(shí)應(yīng)變?yōu)?.2～0.7時，23Cr-8Ni不銹鋼的熱加工圖如圖5所示。從圖5可看出，熱加工圖中失穩(wěn)區(qū)隨應(yīng)變量的增加而發(fā)生較大變化，即應(yīng)變量對熱加工圖的影響較大。應(yīng)變量為0.2、0.3時，失穩(wěn)區(qū)在1000～1050℃、0.01～1/s的范圍內(nèi)，失穩(wěn)區(qū)面積隨著應(yīng)變的增加而增加的不明顯；在應(yīng)變量為0.7時，出現(xiàn)了一個新的失穩(wěn)區(qū)，即1250℃、10/s。在0.01～0.001/s的范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)失穩(wěn)區(qū)，功率耗散因子較大。

圖5 不同應(yīng)變下的熱加工圖

3.4 特征區(qū)域微觀組織

對應(yīng)變量為0.7的熱加工圖進(jìn)行分析，依據(jù)失穩(wěn)區(qū)域和峰值功率耗散因子將應(yīng)變量為0.7的熱加工圖分為3個部分。不同變形條件下的顯微組織如圖6所示。

圖6 不同變形條件下的顯微組織

第一部分為低應(yīng)變區(qū)（下半部分），對應(yīng)溫度為1000～1250℃，應(yīng)變速率為0.001～0.1/s，隨著應(yīng)變速率的升高，該區(qū)域的功率耗散因子從0.46降至0.31。從圖6a、b可看出，由于應(yīng)變速率低，變形時間長，有充分的時間進(jìn)行再結(jié)晶，當(dāng)溫度為1000℃時，初始晶粒在塑性變形的作用下發(fā)生碎化和再結(jié)晶過程，最后成長為細(xì)小等軸晶粒，當(dāng)溫度為1100℃時，部分再結(jié)晶晶粒長大，變?yōu)榇缶ЯＥc細(xì)小晶粒并存的組織。

第二部分為低溫高應(yīng)變速率區(qū)域（左上角），對應(yīng)溫度為1000～1150℃，應(yīng)變速率為1～10/s，隨著應(yīng)變速率的升高，該區(qū)域的功率耗散因子從0.24降至0.16。由于變形時間短，動態(tài)再結(jié)晶過程不能充分進(jìn)行，在低溫高應(yīng)變速率下成形性能差，因此出現(xiàn)加工失穩(wěn)現(xiàn)象。從圖6c可看出，組織為大晶粒與細(xì)小晶粒并存，出現(xiàn)“混晶”現(xiàn)象，組織發(fā)生不完全再結(jié)晶，仍保留部分原始晶粒，可能造成失穩(wěn)[6]。從圖6d可看出，當(dāng)溫度從1000℃升高到1050℃時，組織仍然為大晶粒與細(xì)小晶粒并存，但大晶粒長的更加粗大。

第三個部分為高溫高應(yīng)變速率區(qū)域，對應(yīng)溫度1250℃、應(yīng)變速率10/s，該區(qū)域功率耗散因子為0.27。從圖6e可看出，組織為粗大的再結(jié)晶晶粒，在大晶粒周圍有小晶粒，雖然壓縮時間短，但是變形溫度高，組織看不到壓縮變形晶粒，說明已經(jīng)完全再結(jié)晶，由于晶粒不均勻，出現(xiàn)“混晶”現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

1）23Cr-8Ni不銹鋼流動應(yīng)力的變化與熱壓縮參數(shù)密切相關(guān)，流動應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加和變形溫度的降低而升高。

2）23Cr-8Ni不銹鋼的優(yōu)選熱加工參數(shù)為1000～1250℃、0.001～0.1/s，功率耗散因子可達(dá)0.46，其軟化主導(dǎo)機(jī)制為動態(tài)再結(jié)晶。