孔韋海　陳學(xué)東　閆永超　胡　盼

1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，2300092.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥，230031

?

應(yīng)變強化對022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼顯微組織和力學(xué)行為的影響

孔韋海1,2陳學(xué)東2閆永超2胡盼2

1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，2300092.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥，230031

采用電液伺服萬能試驗機、X射線衍射儀、金相顯微鏡和透射電子顯微鏡，研究了應(yīng)變強化對022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼微觀組織和力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明：前期預(yù)應(yīng)變強化過程中，材料沒有發(fā)生相變，形變孿晶數(shù)量的增加使材料的屈服強度和硬度得到大幅提高，但塑性有所降低，發(fā)生形變孿晶誘發(fā)強度效應(yīng)。隨著預(yù)應(yīng)變量的增大，應(yīng)變強化能力減弱，瞬變應(yīng)變有所降低，位錯的滑移模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，從單系滑移和平面滑移向多系滑移和交滑移轉(zhuǎn)變。

應(yīng)變強化；形變孿晶誘發(fā)強度；力學(xué)行為；022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼

0　引言

近年來，隨著能源工業(yè)的高速發(fā)展，壓力容器的需求量不斷增加。在安全的前提下，實現(xiàn)設(shè)備的輕型化，對節(jié)能降耗具有重要的意義[1-2]。022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼具有屈強比(屈服強度/抗拉強度)低、韌性好和組織穩(wěn)定性好等特點，并可通過室溫應(yīng)變強化技術(shù)提高其屈服強度，顯著減小壓力容器的壁厚，實現(xiàn)設(shè)備的輕型化，達到節(jié)能降耗的目的[2-3]。在實際生產(chǎn)過程中，不但要了解變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，而且要清楚應(yīng)變強化參數(shù)對冷變形組織和力學(xué)性能的影響，以及強化態(tài)材料(經(jīng)過預(yù)應(yīng)變處理的材料)的塑性流變行為。目前，對奧氏體不銹鋼冷變形行為的研究焦點主要集中在相變和位錯滑移模式轉(zhuǎn)變對材料力學(xué)行為的影響[4-9]，針對強化態(tài)材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、塑性流變行為及其微觀機理研究還較少。

對大多數(shù)金屬和合金而言，均勻塑性變形階段的應(yīng)變硬化行為可用Ludwik或Hollomon模型σ=K1εn1來表達[6]，其中，σ為真應(yīng)力，ε為真實塑性應(yīng)變，K1為應(yīng)變硬化強度因子，n1為應(yīng)變硬化指數(shù)。但是Ludwigson[10]認為，對于穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼，高應(yīng)變水平下的塑性流變行為可以用Ludwik模型描述，而較低應(yīng)變水平下應(yīng)對Ludwik模型進行修正：

σ=K1εn1+Δ

Δ=exp(K2+n2ε)其中，Δ總是正值，且隨應(yīng)變的增大而減?。籏2、n2為常數(shù)。文獻[10-11]對各種面心立方(fcc)合金的研究表明，導(dǎo)致Δ出現(xiàn)的主要原因是在高低應(yīng)變過渡區(qū)存在一個瞬變應(yīng)變εL。ε<εL時，位錯滑移以單系滑移和平面滑移為主；ε>εL時，位錯運動則以多系滑移和交滑移為主，并形成位錯胞。

本文通過對022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼施加不同應(yīng)變強化參數(shù)(預(yù)應(yīng)變量和與預(yù)應(yīng)變速率)的拉伸變形，來研究其對材料組織與力學(xué)行為的影響，并利用Ludwigson模型對強化態(tài)材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進行詳細分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的微觀組織探討了形變孿晶誘發(fā)強度的強化機制，為確定應(yīng)變強化的工藝參數(shù)提供理論支持。

1　實驗材料及方法

實驗所用材料為022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼板材，其化學(xué)成分如表1所示。材料的化學(xué)成分決定了其相變熱力學(xué)參數(shù)，在宏觀上表現(xiàn)為對奧氏體組織穩(wěn)定性的影響[12]，如馬氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度的計算值tMs=-131 ℃，材料發(fā)生30%應(yīng)變量導(dǎo)致50%馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度計算值tMD30=-49 ℃，層錯能的計算值γSF=44mJ/m2。將板材進行固溶處理(加熱至1050 ℃，保溫40min后水淬)后加工成拉伸試樣，尺寸如圖1所示[13]。

表1　材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))　%

拉伸試驗在電液伺服萬能試驗機(型號為SHT4505)上進行，采用控制預(yù)應(yīng)變速率和預(yù)應(yīng)變量(引伸計控制)的方式加載，以10-4s-1、10-3s-1和10-2s-1的應(yīng)變速率使試樣強化至一定的預(yù)應(yīng)變量，應(yīng)變量分別為4%、8%和12%。然后，將強化后的試樣以3.3×10-3s-1的速率拉伸至斷裂。

圖1　拉伸試樣尺寸

在強化態(tài)試樣的標距中心處截取長度約12mm的圓棒，將圓棒的近中心端面磨制后拋光，在10%的草酸溶液中進行電解浸蝕，然后用D8-AdvaceX射線衍射儀、XJG-05金相顯微鏡、HV30維氏硬度計和FEITecnaiG20透射電子顯微鏡進行物相、顯微組織、硬度和位錯組態(tài)分析。

2　實驗結(jié)果

2.1力學(xué)行為

表2所示為不同應(yīng)變強化參數(shù)下的室溫強化后022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能參數(shù)。同一預(yù)應(yīng)變量下，不同預(yù)應(yīng)變速率對材料的屈服強度RP0.2、抗拉強度Rm和維氏硬度HHV影響不大；相同預(yù)應(yīng)變速率下，隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，RP0.2、Rm和HHV都有所增加，其中，RP0.2增加的幅度遠大于Rm，即兩者之間的差值越來越小。經(jīng)過12%預(yù)應(yīng)變的試樣，其RP0.2是固溶態(tài)試樣RP0.2的近2.5倍，硬度增加了約80HV10。綜上可知，RP0.2、Rm和HHV主要受預(yù)應(yīng)變量的控制和影響，對預(yù)應(yīng)變速率不敏感。相同預(yù)應(yīng)變量、不同預(yù)應(yīng)變速率情況下，斷后伸長率A和斷面收縮率Z變化不大；同一預(yù)應(yīng)變速率下，A呈現(xiàn)降低的趨勢，Z總體為增長的趨勢但相差并不大。

表2　試樣的強化參數(shù)和力學(xué)性能

屈強比η在壓力容器“等強度”設(shè)計理念中意義重大。由表2可看出，材料的屈強比η隨預(yù)應(yīng)變量的增大逐漸增大，而預(yù)應(yīng)變速率對η的影響很小。屈強比越低，說明材料沒有得到充分的利用，材料的低值屈服強度限制了高值抗拉強度的潛能；從材料失效方面來說，屈服只是表示材料進入塑性流變階段，并不意味著塑性失穩(wěn)，即沒有造成破壞，因此合適的屈強比能在保證設(shè)備安全穩(wěn)定的前提下，使材料潛能得到充分利用，達到“等強度”效果。相關(guān)國外標準[14-17]認為，材料強化后的屈強比值應(yīng)限定在0.8以下。從表2中可看出，未經(jīng)過強化的022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼η值較小，即使經(jīng)過8%應(yīng)變量的強化后，也完全符合標準和使用要求。

2.2物相組成和顯微組織

用X射線衍射儀檢測強化態(tài)試樣中心部位的相組成，圖2所示為8號試樣中心部位的XRD譜?？梢姡诎l(fā)生了12%變形的情況下，材料仍為單一奧氏體相，這個結(jié)果與tMS、tMD30、γSF的計算值相一致?？梢姡摬讳P鋼可以通過應(yīng)變強化(預(yù)應(yīng)變量不超過12%)的方式生產(chǎn)出不同強度級別的材料，其組織仍然保持單一的奧氏體狀態(tài)。

圖2　強化態(tài)試樣(8號試件)中心部位的XRD譜

圖3a所示為1號固溶態(tài)試樣的顯微組織。由于材料的層錯能較低，在金相試樣磨制時可能產(chǎn)生了少量形變孿晶。隨著預(yù)應(yīng)變量的增大，平直的孿晶界清晰可見，如圖3b～圖3d所示。預(yù)應(yīng)變量為12%的試樣中，有些孿晶界在應(yīng)力的作用下發(fā)生了彎曲變形(圖3d中的2個箭頭所指)，說明孿晶界的完全共格關(guān)系遭到破壞，進一步阻礙變形的進行。此時，滑移以單滑移為主，多滑移處于初始階段。

(a)1號試樣的顯微組織

(b)3號試樣的顯微組織

(c)6號試樣的顯微組織

(d)9號試樣的顯微組織圖3　不同預(yù)應(yīng)變量試樣的顯微組織

3　分析討論

3.1強化態(tài)材料屈服強度和硬度HHV的關(guān)系

如表2所示，強化態(tài)材料的硬度隨預(yù)應(yīng)變量的增大而增大，但增大的趨勢漸緩；強化態(tài)材料的硬度幾乎不受預(yù)應(yīng)變速率的影響。為了研究強化過程中硬度與屈服強度之間的關(guān)系，對其進行擬合。由圖4可看出，不同預(yù)應(yīng)變速率下強化態(tài)材料的屈服強度與硬度基本呈線性增長趨勢。通過線性擬合分別得到不同預(yù)應(yīng)變速率下強化材料屈服強度和硬度的關(guān)系式：

RP0.2(10-4s-1)=3.45HHV-201.28

(1)

R2=0.99960

RP0.2(10-3s-1)=3.49HHV-203.50

(2)

R2=0.97989

RP0.2(10-2s-1)=3.54HHV-213.57

(3)

R2=0.96253

圖4　強化態(tài)材料屈服強度與硬度關(guān)系圖

隨著預(yù)應(yīng)變速率的減小，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R越接近1，線性相關(guān)越高，與實測曲線吻合越好。因此，在工程現(xiàn)場或不方便測量材料力學(xué)性能時，可以通過測量其硬度獲得大致的屈服強度，為現(xiàn)場的工程師和檢驗人員提供技術(shù)參考。

3.2強化態(tài)材料塑性流變行為

(a)3號試樣

(b)6號試樣

(c)9號試樣圖5　均勻塑性變形階段真應(yīng)力-真應(yīng)變對數(shù)曲線

應(yīng)變強化對022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼力學(xué)行為的影響與其加工硬化特性密切相關(guān)。層錯能是影響變形機制的重要因素，當奧氏體不銹鋼層錯能在25～80 mJ/m2時，材料可以通過形變孿晶的形成獲得高強度和高塑性[19]。在變形初期，晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯缺陷，位錯沿滑移面運動時遇到障礙被釘扎造成塞積和纏結(jié)(圖7)，導(dǎo)致局部應(yīng)力的集中。當應(yīng)力集中在孿生方向達到臨界應(yīng)力值時，晶體就開始發(fā)生孿生變形，出現(xiàn)孿晶的交互生長。高密度位錯區(qū)和層錯區(qū)、位錯與孿晶以及孿晶與孿晶的交互區(qū)都能夠提供孿生的核胚。隨著預(yù)應(yīng)變量的增大，位錯密度不斷增殖，細小的形變孿晶開始平行聚集，形成束狀結(jié)構(gòu)，且其數(shù)量增加。這就進一步阻礙了位錯運動，變形抗力增大，提高了屈服強度和抗拉強度[6,8,20-21]。另一方面，奧氏體晶粒被形變孿晶分割，導(dǎo)致其有效晶粒尺寸減小，這等效于細化晶粒，間接地增強了材料的應(yīng)變強化效果。本試驗所用材料為單一的奧氏體組織，其層錯能的計算值γSF=44 mJ/m2，隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，形變孿晶數(shù)量增加，從而獲得更高強度，符合形變孿晶誘發(fā)強度效應(yīng)。

(a)3號試樣

(b)6號試樣

(c)9號試樣圖6　均勻塑性變形階段的lnΔ-ε曲線

試樣編號K1(MPa)n1K2-n2εLσL(MPa)σ(MPa)11363.62240.50563.039812.12330.1228472.202820.9010621291.03560.41184.253917.91290.1399574.349170.3793631276.52910.41804.465820.69570.1334550.002386.9905941305.23630.41434.343323.60380.1134529.654576.9610951168.76160.30994.211326.94040.0925558.811467.4441661172.74210.32144.564325.05840.1120580.227495.9953771223.29090.34414.730226.18160.1136578.7614113.318281190.70400.27044.819627.54080.1070650.6496123.915591191.29950.27484.751225.01780.1147656.9843115.7231101208.69920.27074.915326.78780.1125669.1143136.3602

(a)3號試樣

(b)6號試樣

(c)9號試樣圖7　強化態(tài)材料位錯組態(tài)形貌

4　結(jié)論

(1)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼具有很強的應(yīng)變強化特性，其力學(xué)行為對預(yù)應(yīng)變速率不敏感；隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，強度和硬度得到大幅提高，但韌性會有所降低。即使經(jīng)過8%變形量的預(yù)強化，材料的斷后延伸率仍在45%左右，屈強比η低于0.8，仍然具有相當好的塑性儲備。所以8%的應(yīng)變量和10-3s-1的應(yīng)變速率是較合適的應(yīng)變強化參數(shù)。

(2)在工程現(xiàn)場或不方便測量材料力學(xué)性能時，可以通過測量其硬度獲得大致的屈服強度，為現(xiàn)場的工程師和檢驗人員提供技術(shù)參考。

(3)在前期應(yīng)變強化過程中，022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼沒有發(fā)生相變，而是產(chǎn)生了形變孿晶誘發(fā)強度效應(yīng)。

(4)Ludwigson模型可以較準確地描述強化態(tài)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的塑性流變行為。應(yīng)變大于瞬變應(yīng)變εL時，滿足Ludwik模型；小于εL時，流變行為與Ludwik存在一個正偏差Δ。強化態(tài)的不銹鋼在塑性流變過程中的應(yīng)變強化能力隨預(yù)強化量的增加而逐漸減弱。

[1]鄭津洋, 繆存堅, 壽比南. 輕型化——壓力容器的發(fā)展方向[J]. 壓力容器, 2009, 26(9): 42-48.ZhengJinyang,MiaoCunjian,ShouBinan.Light-weight:aTrendintheDevelopmentofPressureVessels[J].PressureVesselTechnology, 2009, 26(9): 42-48.

[2]范志超, 陳學(xué)東, 崔軍, 等. 我國重型壓力容器輕量化設(shè)計制造技術(shù)研究進展[J]. 壓力容器, 2013, 30(2): 59-65.FanZhichao,ChenXuedong,CuiJun,etal.ResearchProgressofLightweightDesign&ManufactureTechnologyofHeavyPressureVesselsinChina[J].PressureVesselTechnology, 2013, 30(2): 59-65.

[3]鄧陽春, 陳鋼, 楊笑峰, 等. 奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強化技術(shù)[J]. 化工機械, 2008, 35(1): 54-59.

DengYangchun,ChenGang,YangXiaofeng,etal.StrainStrengtheningTechnologyofPressureVesselsofAusteniticStainlessSteel[J].ChemicalEngineeringandMachinery, 2008, 35(1): 54-59.

[4]AndradeMS,GomesOA，VilelaJMC,etal.FormabilityEvaluationofTwoAusteniticStainlessSteels[J].JournaloftheBrazilianSocietyofMechanicalSciencesandEngineering, 2004，26: 47-50.

[5]LlewellynDT.WorkHardeningEffectsinAusteniticStainlessSteels[J].MaterialsScienceandTechnology, 1997, 13(5): 389-400.

[6]劉樹勛, 劉憲民, 劉蕤, 等. 0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼的應(yīng)變強化行為[J]. 鋼鐵研究學(xué)報, 2005, 17(4): 40-44.

LiuShuxun,LiuXianmin,LiuRui,etal.Work-hardeningBehaviorof0Cr21Ni6Mn9NAusteniticStainlessSteel[J].JournalofIronandSteelResearch, 2005, 17(4): 40-44.

[7]KubotaS,XiaY,TomotaY.Work-hardeningBehaviorandEvolutionofDislocation-microstructuresinHigh-nitrogenBearingAusteniticSteels[J].ISIJInternational, 1998, 38(5): 474-481.

[8]王松濤, 楊柯, 單以銀, 等. 高氮奧氏體不銹鋼與316L不銹鋼的冷變形行為研究[J]. 金屬學(xué)報, 2007, 43(2): 171-176.WangSongtao,YangKe,ShanYiyin,etal.StudyofColdDeformationBehaviorsofaHighNitrogenAusteniticStainlessSteeland316LStainlessSteel[J].ActaMetallurgicaSinica, 2007, 43(2): 171-176.

[9]SimmonsJW.StrainHardeningandPlasticFlowPropertiesofNitrogen-alloyedFe-17Cr-(8-10)Mn-5NiAusteniticStainlessSteels[J].ActaMaterialia, 1997, 45(6): 2467-2475.

[10]LudwigsonDC.ModifiedStress-strainRelationforFCCMetalsandAlloys[J].MetallurgicalTransactionsB, 1971, 2(10): 2825-2828.

[11]SoussanA,DegallaixS,MagninT.Work-hardeningBehaviourofNitrogen-alloyedAusteniticStainlessSteels[J].MaterialsScienceandEngineering:A, 1991, 142(2): 169-176.

[12]李雅嫻. 應(yīng)變強化奧氏體不銹鋼低溫容器材料和成形工藝研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2010.

[13]中國國家標準化管理委員會.GB/T228.1-2010. 金屬材料室溫拉伸試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社, 2011.

[14]CommitteeME/1.PressureEquipment.AS1210Supplement2-1999.PressureVessels-cold-stretchedAusteniticStainlessSteelVessels(SupplementtoAS1210-1997)[S].Homebush：StandardsAustralia，1999.

[15]BritishStandardsInstitution.BSEN13458-2：2002CryogenicVessels-staticVacuumInsulatedVessels-Part2：Design，F(xiàn)abrication，InspectionandTesting[S].London：TheStandardsPolicyandStrategyCommittee，2002.

[16]SwedenIndustryStandard.Cold-stretchingDirections1991[S].Stockholm:SwedishPressureVesselStandardization. 1991.

[17]TheASMEBoilerandPressureVesselStandardsCommittee.Case2596-coldstretchingofAusteniticStainlessSteelPressureVessels[S].NewYork：ASME，2008.

[18]MüllnerP,SolenthalerC,UggowitzerP,etal.OntheEffectofNitrogenontheDislocationStructureofAusteniticStainlessSteel[J].MaterialsScienceandEngineering:A, 1993, 164(1): 164-169.

[19]StoltzRE,VanderSandeJB.TheEffectofNitrogenonStackingFaultEnergyofFe-Ni-Cr-MnSteels[J].MetallurgicalTransactionsA, 1980, 11(6): 1033-1037.

[20]MiZhenli,TangDi,YanLing,etal.High-strengthandHigh-plasticityTWIPSteelforModernVehicle[J].JournalofMaterialsScience&Technology, 2005, 21(4): 451-454.

[21]MoriT,FujitaH.DislocationReactionsduringDeformationTwinninginCu-11at.%AlSingleCrystals[J]ActaMetallurgica. 1980, 28(6): 771-776.

(編輯張洋)

Effects of Strain-strengthening on Microstructure and Mechanics Behavior of 022Cr17Ni12Mo2 Austenitic Stainless Steel

Kong Weihai1,2Chen Xuedong2Yan Yongchao2Hu Pan2

1.Hefei University of Technology，Hefei，230009 2.National Safety Engineering Technology Research Center for Pressure Vessels and Pipeline，Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，230031

The effects of strain-strengthening on microstructure and mechanics behavior of 022Cr17Ni12Mo2 austenitic stainless steel were investigated by universal testing machine, X-ray diffraction, optical microscopy, and transmission electron microscopy. The results show that there is no phase transformation during the early stage of pre-strain strengthening. With the increase of deformation twins, the cold deformation can enhance the strength and hardness significantly, whereas the ductility of the steel is decreased. The deformation twinning induced strength effects are occurred. Meanwhile, the strain-strengthening ability of the strengthened steel and the transient strain are weakened with increase of the pre-strain. The appearance of deformation twins makes the change of dislocation slip mode, which transforms from single-slip and planar-slip to multiple-slip and cross-slip.

strain strengthening; deformation twinning induced strength; mechanics behavior; 022Cr17Ni12Mo2 austenitic stainless steel

孔韋海，男，1982年生。合肥通用機械研究院、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向為壓力容器用材性能與應(yīng)用研究。發(fā)表論文10余篇。陳學(xué)東，男，1964年生。合肥通用機械研究院研究員、博士研究生導(dǎo)師，中國工程院院士。閆永超，男，1987年生。合肥通用機械研究院工程師。胡盼，男，1989年生。合肥通用機械研究院助理工程師。

2015-01-09

安徽省自然科學(xué)基金資助項目(1308085ME69)；合肥通用機械研究院青年科技基金資助項目(2013010646)

TG142.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.08.022