俞秋景，張偉紅，于連旭，劉 芳，孫文儒，胡壯麒，

（1東北大學(xué)，沈陽 110004；2中國科學(xué)院 金屬研究所，沈陽 110016）

Inconel 625合金（以下簡稱625合金）作為一種固溶強化型耐蝕高溫合金，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、核電、海洋等領(lǐng)域［1，2］。由于該合金Cr，Mo，Nb含量高，因此固溶強化作用強烈，熱變形抗力大，組織均勻性不易控制。而開坯鍛造作為第一道機械加工工序，獲得的組織狀態(tài)對后續(xù)的加工及成品服役后的各項性能特別是耐蝕性能具有很大的影響。通過實驗室小試樣的熱壓縮實驗?zāi)M實際開坯工藝，可以節(jié)約大量成本，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。為了將變形參數(shù)（溫度，應(yīng)變和應(yīng)變速率）與金屬的流變行為和組織演變聯(lián)系起來，Prasad等［3］提出了加工圖，Narayana等［4］對此作了改進，使之能用于多相合金。每個應(yīng)變下的加工圖由各自獨立的功率耗散圖和流變失穩(wěn)圖疊加而成。加工圖已被成功用來輔助工業(yè)生產(chǎn)中的工藝制定和反饋控制［5，6］。Prasad在創(chuàng)建加工圖時使用了動態(tài)材料模型（Dynamic Material Model，DMM），這是一種基于連續(xù)大塑性變形的模型［3］。本工作通過熱壓縮實驗獲取原始數(shù)據(jù)，再使用DMM材料模型建立熱加工圖，并結(jié)合真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線及微觀組織分析，研究了625合金在不同條件下的變形機制，以尋找適合的加工條件。

1 實驗

實驗合金采用真空感應(yīng)熔煉，合金化學(xué)成分如表1所示。

鑄錠經(jīng)兩段均勻化后取φ8mm×12mm的圓柱試樣，在Gleeble 3800試驗機上進行壓縮實驗。實驗參數(shù)如表2所示。

壓縮實驗在真空下進行。首先以5K／s的升溫速率將試樣加熱到測試溫度，再均溫1min后壓縮，空冷。利用實測數(shù)據(jù)繪制真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線，然后根據(jù)DDM建立熱加工圖，并使用金相顯微鏡觀察試樣的縱切面組織。

表1 625合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)／%）Table 1 Chemical compositions of alloy 625（mass fraction／%）

表2 壓縮實驗參數(shù)Table 2 Compression test parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

圖1為各測試條件下的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線。由圖1可知，各曲線從走勢上可分為兩大類：一類是溫度為1273K的曲線；這類曲線在屈服之后仍然較平緩地上升，一直到應(yīng)變0.35左右才進入穩(wěn)態(tài)流變階段。另一類是溫度為1373，1423，1453K的曲線；這類曲線在屈服后便走勢平緩，很快進入穩(wěn)態(tài)流變階段。應(yīng)變速率0.1s－1的曲線在進入穩(wěn)態(tài)流變階段前均出現(xiàn)一峰值，而1，5，10s－1下的曲線則沒有。所有試樣的屈服均發(fā)生在應(yīng)變0.05左右。在1373，1423，1453K時，應(yīng)變速率為0.1s－1的3條曲線較平滑（圖1（a）），未出現(xiàn)鋸齒狀波動；而1，5，10s－1下的曲線均呈現(xiàn)或劇烈或平緩的鋸齒狀波動（圖1（b），（c），（d））。但在溫度1273K下的曲線，無論應(yīng)變速率高低，均未出現(xiàn)上述現(xiàn)象。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，10s－1下的3條曲線波動最為劇烈。

圖1 鑄態(tài)625合金壓縮實驗的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線（a）＝0.1s－1；（b）＝1s－1；（c）＝5s－1；（d）＝10s－1Fig.1 The true stress－true strain curves of cast alloy 625in compression test（a）＝0.1s－1；（b）＝1s－1；（c）＝5s－1；（d）＝10s－1

2.2 加工圖

在1273～1453K，0.1～10s－1，0.3～0.6（間隔0.1）范圍內(nèi)創(chuàng)建了625合金的加工圖，如圖2所示。圖2中實線為功率耗散效率值η的等值線，虛線為塑性失穩(wěn)參數(shù)的等值線，主要數(shù)值在圖中標(biāo)出，黑色數(shù)字所標(biāo)為功率耗散效率值，而藍色數(shù)字所示為塑性失穩(wěn)參數(shù)值。值為負的區(qū)域在圖中用陰影線標(biāo)出。根據(jù)DMM，低η值表示材料在此條件下可加工性不好，而值為負表示易出現(xiàn)流變失穩(wěn)。每張加工圖中按溫度和應(yīng)變速率可分為四個區(qū)域。記溫度為T，應(yīng)變速率為，則這四個區(qū)域分別為：①低T低區(qū)，②低T高區(qū)，③高T低區(qū)，④高T高區(qū)。各區(qū)域具體范圍如表3所示。

表3 加工圖各區(qū)域的范圍Table 3 The range of different regions in processing maps

圖2 鑄態(tài)625合金在1273～1453K，0.1～10s－1，0.3～0.6（應(yīng)變間隔0.1）的加工圖（a）ε＝0.3；（b）ε＝0.4；（c）ε＝0.5；（d）ε＝0.6Fig.2 Processing maps of cast alloy 625between 1273－1453K，0.1－10s－1，0.3－0.6（with a strain interval of 0.1）（a）ε＝0.3；（b）ε＝0.4；（c）ε＝0.5；（d）ε＝0.6

由圖2可知，①區(qū)在應(yīng)變0.6以下時的功率耗散效率很小，小于0.17；在應(yīng)變0.6時稍大，達到0.28。而②區(qū)的功率耗散效率在整個應(yīng)變范圍均很小，基本都小于0.17。③區(qū)和④區(qū)的η值在整個應(yīng)變范圍內(nèi)均較高，在0.24～0.5之間。①區(qū)的塑性失穩(wěn)參數(shù)在整個應(yīng)變范圍均出現(xiàn)負值；而②區(qū)和③區(qū)的值除在應(yīng)變?yōu)?.5時為正外，在其余各應(yīng)變下均出現(xiàn)負值；④區(qū)的值在整個實驗應(yīng)變范圍內(nèi)均為正。

2.3 變形組織

在壓縮實驗中，試樣各部位的應(yīng)變分布并不均勻，觀察組織須選有代表性的區(qū)域。在試樣的縱切面上，心部及對角線區(qū)域的應(yīng)變較大，上下表面及兩側(cè)表面附近應(yīng)變較小，因此心部組織的代表性較好。

選取各區(qū)的典型試樣觀察心部組織，如圖3所示。可以看出除④區(qū)（圖3（d））外，其余各區(qū)（圖3（a），（b），（c））的組織均有或多或少的變形局部化現(xiàn)象，變形局限在晶界周圍區(qū)域，其中①區(qū)最嚴重。由于變形帶內(nèi)的大變形和內(nèi)升溫嚴重，也發(fā)生了少量的再結(jié)晶。但由于驅(qū)動力不足，這些小晶粒尚未充分長大。晶粒尺寸過小對合金的持久和耐蝕性能不利，這種影響在常溫普通環(huán)境下不明顯，但在高溫環(huán)境和腐蝕介質(zhì)中尤為明顯。625合金需要在高溫腐蝕環(huán)境下長期服役，因此其晶粒尺寸不能太小，所以對于625合金，再結(jié)晶的小晶粒需要有一定程度的長大。與①，②區(qū)相比，③區(qū)的組織狀態(tài)稍好一點，再結(jié)晶的小晶粒已經(jīng)有所長大，只是再結(jié)晶區(qū)域的面積很小，沒有充分展開。④區(qū)的組織呈完全再結(jié)晶狀態(tài)。圖3（d）中沒有發(fā)現(xiàn)未再結(jié)晶的鑄態(tài)大晶粒，且再結(jié)晶的小晶粒已經(jīng)充分長大，尺寸均勻。

圖3 加工圖中各區(qū)域典型試樣的心部組織（a）①區(qū)（1273K／5s－1／0.6）；（b）②區(qū)（1373K／10s－1／0.4）；（c）③區(qū)（1423K／0.1s－1／0.4）；（d）④區(qū)（1423K／10s－1／0.6）Fig.3 Microstructure in central zone of typical samples in different regions of processing maps（a）region①（1273K／5s－1／0.6）；（b）region②（1373K／10s－1／0.4）；（c）region③（1423K／0.1s－1／0.4）；（d）region④（1423K／10s－1／0.6）

2.4 討論

DMM模型認為熱變形過程中的材料是一個能量耗散系統(tǒng)。它假設(shè)材料變形耗散的能量P由兩個獨立的部分G和J組成［7］。G稱為耗散量，用于驅(qū)動材料的塑性流動，其中大部分轉(zhuǎn)換成熱能，只有小部分以缺陷的形式儲存下來。J稱為耗散協(xié)量，用于驅(qū)動材料的組織變化，其中包括動態(tài)回復(fù)，動態(tài)再結(jié)晶，粒子的動態(tài)分解或長大及變形引發(fā)的相變或析出等。DMM模型的數(shù)學(xué)表達式為：

式中Jmax是材料在理想的線性耗散狀態(tài)（m＝1，J＝P／2）下J能達到的最大值。能量在G和J之間的分配也可用應(yīng)變速率敏感性因子m表示，m定義為

這樣η又可表示為

在動態(tài)材料模型中，加工失穩(wěn)判據(jù)是由Prasad［8］根據(jù)Ziegler［9］提出的最大熵產(chǎn)生原理建立的，可表示為

該塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則已在AISI304不銹鋼［10］、Al合金［11］、Ti合金［12］等材料中得到驗證，應(yīng)用廣泛。高η值和＞0（應(yīng)力集中小，沒有失穩(wěn)流變）意味著一種材料良好的熱加工性能。

由于塑性變形中各種冶金變化（如動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶等）都耗散能量，因此，借助金相觀察，功率耗散圖可用來分析不同區(qū)域的變形機理。值得提出的是，對一種特定的合金，并不是功率耗散效率越大，材料的內(nèi)在可加工性能就越好。因為在加工失穩(wěn)區(qū)域，功率耗散效率也可能會較高，所以在分析功率耗散圖時有必要判斷出加工失穩(wěn)區(qū)。

加工圖中的①區(qū)和②區(qū)為低溫區(qū)，圖1顯示這兩個區(qū)的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線呈一直上升趨勢，這說明動態(tài)再結(jié)晶未大量進行（圖3），僅有緩慢的動態(tài)回復(fù)作用發(fā)生。圖3（a）顯示①區(qū)試樣未發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶，而圖3（b）顯示②區(qū)試樣也未發(fā)生大規(guī)模的再結(jié)晶。因為這種變形特征，使得應(yīng)變硬化始終強于軟化作用，流動應(yīng)力隨應(yīng)變的增加持續(xù)增大（圖1（c），（d）），且這兩個區(qū)的功率耗散效率不大，變形局部化導(dǎo)致塑性失穩(wěn)參數(shù)出現(xiàn)負值（圖2）。

③區(qū)為高溫低速變形區(qū)。高溫下緩慢加載易發(fā)生局部變形，這是③區(qū)在應(yīng)變較小時值為負（圖2）的原因。圖3（a）顯示晶界附近有細晶條帶，說明變形集中在此區(qū)域，從而證實了這點。

④區(qū)為高溫高速變形區(qū)。圖3（d）顯示試樣心部已達到完全再結(jié)晶狀態(tài)，晶粒尺寸均勻，未出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象。③區(qū)與④區(qū)相比，發(fā)生再結(jié)晶的范圍較小，晶粒尺寸不夠均勻。圖2顯示④區(qū)的功率耗散效率在四個區(qū)中最高，而塑性失穩(wěn)參數(shù)也在整個測試范圍內(nèi)均保持正值，因此④區(qū)是適合對625合金進行熱加工的一個區(qū)間。

觀察圖3中各圖的變化趨勢可以看出，②區(qū)的變形條件并不能使625合金發(fā)生大規(guī)模的動態(tài)再結(jié)晶。而③區(qū)的條件可以使該合金發(fā)生明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，只是所提供的驅(qū)動力并不能使再結(jié)晶進行完全。而④區(qū)的條件無論從再結(jié)晶發(fā)生的可能性、規(guī)模和進行程度上來說都是充分的。這說明625合金在0.1～10s－1變形時，動態(tài)再結(jié)晶臨界溫度介于1373～1423K之間，臨界應(yīng)變介于0.4～0.6之間，且1273～1363K，0.1～5.05s－1為動態(tài)回復(fù)區(qū)；1363～1453K，0.1～5.05s－1為不充分動態(tài)再結(jié)晶區(qū)；1400～1453K，5.05～10s－1為完全動態(tài)再結(jié)晶區(qū)。

3 結(jié)論

（1）對鑄態(tài)Inconel 625合金，1273～1363K，0.1～5.05s－1為動態(tài)回復(fù)區(qū)；1363～1453K，0.1～5.05s－1為不充分動態(tài)再結(jié)晶區(qū)；1400～1453K，5.05～10s－1為完全動態(tài)再結(jié)晶區(qū)。

（2）在應(yīng)變速率0.1～10s－1的區(qū)間，625合金動態(tài)再結(jié)晶的臨界溫度在1373～1423K之間，臨界應(yīng)變在0.4～0.6之間。

（3）625合金不發(fā)生流變失穩(wěn)的范圍是1400～1453K，5.05～10s－1。

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