張雲(yún)飛 趙英利 常金寶 嵇 爽 王程明

(河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050000)

節(jié)鎳型高氮奧氏體不銹鋼中，廉價(jià)氮元素的加入不但可以代替金屬鎳的作用從而降低生產(chǎn)成本，還能提高材料的強(qiáng)度和耐蝕性能；氮含量的不同還會(huì)影響鋼的奧氏體穩(wěn)定性、熱膨脹性及磁性等[1- 3]。節(jié)鎳型高氮奧氏體不銹鋼具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而受到科研工作者的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已大量應(yīng)用在海洋工程、汽車、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)等領(lǐng)域。目前，對(duì)節(jié)鎳型高氮不銹鋼的研究方向主要是冶煉技術(shù)[4- 7]、耐腐蝕性能[8- 9]等，對(duì)于熱變形的研究相對(duì)較少。

為了研究該鋼種在高溫下的變形行為，本文通過高溫壓縮試驗(yàn)和組織觀察研究了應(yīng)變速率及變形溫度對(duì)高溫流變應(yīng)力的影響，并觀察了壓縮變形后的顯微組織，以期為該鋼種熱加工工藝的制定提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為非真空感應(yīng)爐(1 t)冶煉+電渣重熔(ESR)生產(chǎn)的鋼錠，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of test steel (mass fraction) %

在材料的中心部位取樣，制成尺寸φ10 mm×15 mm的熱模擬樣品，在Gleeble- 3800熱/力模擬機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，變形溫度分別設(shè)為950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200 ℃，變形速率分別設(shè)為0.01、0.1、1、10 s-1。具體試驗(yàn)步驟為：在試樣兩端放置鉭片并涂抹潤滑劑，防止變形過程中試樣與夾持端產(chǎn)生摩擦而影響試驗(yàn)結(jié)果。以5 ℃/s的速率升溫到1 200 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃/s降溫到試驗(yàn)溫度，保溫5 s使試樣均熱；以不同的變形速率進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，變形量為50%。壓縮后的試樣經(jīng)壓縮空氣急速冷卻后，沿下壓的方向切開，經(jīng)磨拋腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣變形后的顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫流變行為與溫度之間的關(guān)系

圖1為試驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率和變形溫度下由熱壓縮試驗(yàn)得到的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線。 從圖中可以看出，在相同應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，流變應(yīng)力逐漸降低，且達(dá)到峰值應(yīng)力的應(yīng)變也逐漸減小，即隨著溫度的升高，材料更容易發(fā)生動(dòng)態(tài)軟化。在較低溫度變形時(shí)，材料的軟化機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)，隨著溫度的不斷升高，軟化機(jī)制逐漸向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

圖1 試驗(yàn)鋼在應(yīng)變速率為(a)0.01 s-1、(b)0.1 s-1、(c)1 s-1和 (d)10 s-1時(shí)不同變形溫度下壓縮的流變應(yīng)力曲線Fig.1 Flow stress curves of test steel deformed at different temperatures with strain rates of (a) 0.01 s-1,(b) 0.1 s-1,(c) 1 s-1 and (d) 10 s-1

分析其原因：隨著溫度的升高，原子動(dòng)能增加，原子間的結(jié)合力減小，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，變形過程中位錯(cuò)滑移的臨界剪切應(yīng)力減小，降低了變形阻力，動(dòng)態(tài)軟化更容易進(jìn)行[10]。材料內(nèi)部原子的熱振動(dòng)幅度增加，更容易發(fā)生變形，減弱了因變形而產(chǎn)生的加工硬化。與常規(guī)奧氏體不銹鋼相比，節(jié)鎳型高氮奧氏體不銹鋼的峰值應(yīng)力明顯升高[11]。這主要是由于N與其他溶質(zhì)元素相比，具有更高的晶格膨脹系數(shù)。此外，N原子具有負(fù)電荷，與帶正電荷的位錯(cuò)具有靜電吸引力，間隙N原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用非常顯著，N原子與位錯(cuò)的結(jié)合力強(qiáng)于C原子與位錯(cuò)的結(jié)合力，釋放被N原子固定的位錯(cuò)需要更多的能量。在織構(gòu)方面，單一晶體內(nèi)的臨界切分應(yīng)力隨固溶N的增加而上升。在多晶奧氏體鋼中，N含量的增加可以提高低能界面，促進(jìn)織構(gòu)發(fā)展，從而強(qiáng)度上升。

圖2為試驗(yàn)鋼在應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)不同溫度熱變形后的微觀組織。從圖中可以看出，在800 ℃時(shí)，原始組織發(fā)生壓縮變形，晶粒被拉長，呈纖維狀，晶界處沒有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)，此時(shí)軟化機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)。在900 ℃變形時(shí)，原始奧氏體晶粒的部分晶界處出現(xiàn)了細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。當(dāng)溫度升高到1 000 ℃后，變形組織的晶界處再結(jié)晶晶粒數(shù)量明顯增加，同時(shí)晶粒尺寸呈增大趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)增大。隨著溫度的升高，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，晶界遷移速度加快，再結(jié)晶晶粒繼續(xù)長大。在1 100 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒沿著原始晶界向晶粒內(nèi)擴(kuò)展，由于提供能量的不足，試驗(yàn)鋼發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，因此變形組織不均勻，呈細(xì)小的再結(jié)晶晶粒及只發(fā)生壓縮變形的原始晶粒的混合組織。1 150 ℃變形時(shí)，變形組織并不均勻，出現(xiàn)了等軸再結(jié)晶晶粒與扁平變形晶粒的混合組織，此時(shí)再結(jié)晶晶粒長大，原始奧氏體晶粒尺寸減小。在1 200 ℃壓縮變形時(shí)，發(fā)生了完全再結(jié)晶，基本為長大的再結(jié)晶晶粒。因此，變形溫度的升高可以提高組織的均勻性。

2.2 高溫流變行為與應(yīng)變速率之間的關(guān)系

圖3為相同溫度不同應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力曲線。由圖可知，在同一溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低，且軟化機(jī)制由動(dòng)態(tài)回復(fù)逐漸向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過渡。分析其原因：在相同溫度下，應(yīng)變速率較低時(shí)，變形時(shí)間長，可以提供充足的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)軟化，從而減弱加工硬化[12]。而應(yīng)變速率的加快，導(dǎo)致位錯(cuò)的數(shù)量大幅度增加，因此流變應(yīng)力上升。

圖4為試驗(yàn)鋼在950 ℃、不同應(yīng)變速率下的變形組織，可見應(yīng)變速率對(duì)熱變形組織影響較大。當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)， 原始晶界處出現(xiàn)大量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，應(yīng)變速率為10 s-1時(shí)，沒有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶出現(xiàn)。950 ℃變形時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒數(shù)量逐漸減少。分析其原因：應(yīng)變速率小，變形時(shí)間延長，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)間充足，因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶數(shù)量相對(duì)更多。以高應(yīng)變速率變形時(shí)，短時(shí)間內(nèi)就完成了變形，不能提供足夠的時(shí)間使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒形核及長大，因此再結(jié)晶晶粒尺寸偏小[13]。

圖4 試驗(yàn)鋼在950 ℃以(a)0.01 s-1、(b)0.1 s-1、(c)1 s-1和(d)10 s-1應(yīng)變速率變形后的微觀組織Fig.4 Microstructures of test steel deformed at (a) 950 ℃ at the strain rate of (a) 0.01 s-1，(b) 0.1 s-1，(c) 1 s-1 and (d) 10 s-1

2.3 變形條件對(duì)峰值應(yīng)力的影響

圖5所示為不同變形條件下峰值應(yīng)力的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，峰值應(yīng)力逐漸降低。由此可以得出：高氮節(jié)鎳奧氏體不銹鋼是一種正應(yīng)變速率敏感材料，即隨應(yīng)變速率的增大和變形溫度的降低，峰值應(yīng)力增大，熱變形難以進(jìn)行。

3 結(jié)論

(1)研究了變形條件對(duì)高氮節(jié)鎳奧氏體不銹鋼的高溫流變應(yīng)力的影響。發(fā)現(xiàn)在同一應(yīng)變速率、不同的變形溫度下，變形溫度越高，流變應(yīng)力越小，軟化機(jī)制逐漸由動(dòng)態(tài)回復(fù)向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，組織均勻性提高。

圖5 試驗(yàn)鋼在不同變形條件下峰值應(yīng)力的變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trends of peak stress of test steel under different deformation conditions

(2)在同一變形溫度、不同的應(yīng)變速率下，應(yīng)變速率越低，變形時(shí)間越長，動(dòng)態(tài)軟化的時(shí)間越充足，因此流變應(yīng)力越低，軟化機(jī)制由動(dòng)態(tài)回復(fù)逐漸向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過渡。

(3)高氮節(jié)鎳奧氏體不銹鋼是一種正應(yīng)變速率敏感材料，即隨著應(yīng)變速率的增大和變形溫度的降低，峰值應(yīng)力逐漸增大，熱變形難以實(shí)施。