何 嬋， 鄒德寧， 趙 潔， 陳興潤(rùn)， 錢張信

(1. 西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院， 陜西 西安 710055;2. 酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司， 甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

雙相不銹鋼通常是指組織中同時(shí)含有鐵素體相和奧氏體相，并且較少相含量應(yīng)不低于30%的一類具有優(yōu)良耐腐蝕性能的鐵基合金[1]。并且超級(jí)雙相不銹鋼在海洋工程、石油和天然氣、化學(xué)制造等行業(yè)有著極為廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于兩相的堆垛層錯(cuò)能(SFE)值和熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致兩相的熱變形差異很大，容易引起金屬內(nèi)裂紋的產(chǎn)生進(jìn)而增加熱加工難度，對(duì)雙相不銹鋼板材的產(chǎn)品質(zhì)量和后續(xù)材料的深加工產(chǎn)生不利影響[2]。因此，掌握超級(jí)雙相不銹鋼熱變形規(guī)律對(duì)改善其熱加工性能及產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

武敏等[3]研究了在變形溫度為950～1200 ℃、應(yīng)變速率為0.1～25 s-1、真應(yīng)變?yōu)?的條件下2507超級(jí)雙相不銹鋼的熱變形行為與組織演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鐵素體在各變形條件下均發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而溫度是影響奧氏體再結(jié)晶的主要因素。Jong等[4]對(duì)2507超級(jí)雙相不銹鋼在變形溫度為950～1250 ℃、應(yīng)變速率為0.1～10 s-1下進(jìn)行熱壓縮，研究認(rèn)為雙相不銹鋼的高溫流變應(yīng)力受變形溫度、應(yīng)變速率以及相體積分?jǐn)?shù)的影響，并隨變形條件而變化。目前，對(duì)于2507超級(jí)雙相不銹鋼的熱變形行為研究主要集中在變形條件對(duì)流變曲線、兩相組織和動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制的影響等方面，而關(guān)于流變應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系及熱加工圖方面的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。通過(guò)建立2507超級(jí)雙相不銹鋼本構(gòu)方程和熱加工圖，對(duì)預(yù)測(cè)不同變形條件下試驗(yàn)鋼的流變應(yīng)力以及最佳熱加工區(qū)間的確定具有重要的研究意義。

本文針對(duì)2507超級(jí)雙相不銹鋼進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)研究，結(jié)合流變曲線，探討不同變形參數(shù)對(duì)熱變形行為的影響，并建立其Arrhenius本構(gòu)模型。同時(shí)基于動(dòng)態(tài)材料模型，構(gòu)建2507超級(jí)雙相不銹鋼的熱加工圖，確定其最佳熱加工工藝區(qū)間，為熱加工工藝參數(shù)的優(yōu)化提供參考，提高材料的熱加工性能，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量和成材率。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用2507超級(jí)雙相不銹鋼取自國(guó)內(nèi)某企業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)的連鑄坯，其化學(xué)成分如表1所示。高溫壓縮的試樣均取自連鑄坯等軸晶區(qū)域。

表1 2507超級(jí)雙相不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

將連鑄坯等軸晶區(qū)試樣加工成φ8 mm×12 mm的圓柱試樣，在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)。首先將試樣以20 ℃/s的加熱速率升溫至1200 ℃保溫180 s，確保試樣組織及溫度均勻，隨后以10 ℃/s的冷卻速率降溫至變形溫度，分別為950、1000、1050、1100、1150和1200 ℃，均熱30 s以保證試樣內(nèi)外溫度保持一致，最后在設(shè)定的變形溫度下以恒定的應(yīng)變速率(0.01、0.1、1.0和10.0 s-1)對(duì)試樣進(jìn)行壓縮，變形量為0.6，具體工藝如圖1所示。最后將熱壓縮后的試樣沿著壓縮方向的中心截面進(jìn)行線切割，打磨拋光后采用金相腐蝕液(20 g KOH+100 mL H2O)進(jìn)行電解蝕刻，時(shí)間為5～20 s。通過(guò)光學(xué)顯微鏡(Lecia MEF-4M)對(duì)熱壓縮后安全區(qū)和失穩(wěn)區(qū)的微觀組織進(jìn)行觀察分析。

圖1 熱壓縮工藝示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分析

圖2為不同變形條件下2507超級(jí)雙相不銹鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖2可以觀察到，隨變形溫度的升高，峰值應(yīng)力逐漸降低，而隨應(yīng)變速率的升高，峰值應(yīng)力逐漸增加。這是由于變形溫度升高，原子的遷移能力增強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力減小，峰值應(yīng)力減小[5]。而應(yīng)變速率提高，材料所需變形周期縮短，位錯(cuò)增加產(chǎn)生加工硬化，動(dòng)態(tài)軟化的周期縮短，加工硬化作用比動(dòng)態(tài)軟化作用大，峰值應(yīng)力增加[6]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同變形條件下的峰值應(yīng)力值

圖2 不同應(yīng)變速率條件下2507超級(jí)雙相不銹鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

由圖2(a, b)可知，在應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1時(shí)，2507超級(jí)雙相不銹鋼的軟化機(jī)制主要以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，但再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行的不夠充分，流變應(yīng)力曲線表現(xiàn)為流變應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著應(yīng)變的升高，流變應(yīng)力迅速減小。由圖2(c)可知，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1，且變形溫度小于1050 ℃時(shí)，2507試驗(yàn)鋼的軟化過(guò)程主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主，流變應(yīng)力曲線表現(xiàn)為流變應(yīng)力到達(dá)峰值應(yīng)力后，隨著應(yīng)變的升高，流變應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生大幅度減小[7]。由圖2(d)可知，當(dāng)應(yīng)變速率為10 s-1時(shí)，所有變形溫度下均形成一個(gè)“類屈服平臺(tái)”的軟化現(xiàn)象，曲線表現(xiàn)為多峰特征，即隨著應(yīng)變的增大，流變應(yīng)力先逐漸增大至峰值后又降低，而后出現(xiàn)二次峰值后再次降低，最終趨于平緩，即出現(xiàn)了二次硬化。這是由于2507超級(jí)雙相不銹鋼的組織發(fā)生不連續(xù)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化效應(yīng)與再結(jié)晶硬化效應(yīng)接替進(jìn)行，流變曲線表現(xiàn)為多峰特征的波浪形變化。

2.2 流變應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系

基于高溫蠕變理論提出的Arrhenius方程廣泛用于各種合金材料，用于描述材料流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和變形溫度三者之間的復(fù)雜關(guān)系[8]，其表達(dá)式為：

(1)

對(duì)式(1)兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)，得到式(2)：

(2)

(3)

則由圖3(d)中的(1000/T)-ln[sinh(ασp)]的斜率值，可知試驗(yàn)鋼的熱變形激活能Q=414.57 kJ·mol-1。

圖3 2507超級(jí)雙相不銹鋼本構(gòu)方程求解關(guān)系

將計(jì)算出的α、n和Q值代入式(1)中，可計(jì)算得到試驗(yàn)鋼A=3.69×1015s-1。所以2507超級(jí)雙相不銹鋼的峰值應(yīng)力本構(gòu)方程可表示為：

(4)

2.3 熱加工圖

基于大應(yīng)變塑性變形極大值原理，熱加工圖依據(jù)Prasad等[9-10]提出的動(dòng)態(tài)材料模型進(jìn)行構(gòu)建，具體分為能量耗散圖與失穩(wěn)圖。熱變形過(guò)程中，工件在單位時(shí)間內(nèi)所耗散的總能量P基于耗散結(jié)構(gòu)理論，可表示為：

(5)

耗散協(xié)量G和耗散量J之比稱為應(yīng)變速率敏感系數(shù)m[11]，表達(dá)式為：

(6)

能量耗散效率可表示為:

(7)

η表示材料變形過(guò)程所耗費(fèi)能量的多少，η值大說(shuō)明轉(zhuǎn)化的熱能多，而散失的能量少。實(shí)際情況下，η值大也未必說(shuō)明材料的熱加工性能一定好，這可能是由于材料失穩(wěn)時(shí)η值也大，所以造成了誤判[12]。為了避免這種現(xiàn)象，需要建立材料的流變失穩(wěn)圖。其材料失穩(wěn)判據(jù)為：

(8)

失穩(wěn)因子ξ是描述材料是否發(fā)生塑性失穩(wěn)的物理量，-1.0<ξ< 0時(shí)為“可能失穩(wěn)區(qū)”，ξ<-1.0時(shí)則認(rèn)為失穩(wěn)一定發(fā)生，即“完全失穩(wěn)區(qū)”[13]。

圖4為2507雙相不銹鋼在不同應(yīng)變下的熱加工圖，其中彩色區(qū)域?yàn)槭Х€(wěn)區(qū)，白色區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。從圖4可以看出，在應(yīng)變?yōu)?.5時(shí)，在高應(yīng)變速率(1～10 s-1)時(shí)存在“完全失穩(wěn)區(qū)”，此區(qū)域?yàn)棣侵递^低的區(qū)域；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.8時(shí)，在高應(yīng)變速率(1～10 s-1)時(shí)僅存在“可能失穩(wěn)區(qū)”，而“完全失穩(wěn)區(qū)”則出現(xiàn)在低溫(950～1000 ℃)及低應(yīng)變速率(0.01 s-1)范圍，失穩(wěn)最為嚴(yán)重，而在高應(yīng)變速率區(qū)域的“可能失穩(wěn)區(qū)”均是η值較低的區(qū)域。在高溫(1150～1200 ℃)及低應(yīng)變速率(0.01 s-1) 時(shí)，隨著變形溫度的增加，其η值較低，因此也不是最佳加工區(qū)域。在應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1、變形溫度為1060～1120 ℃時(shí)，其能量耗散效率大于30%，一般認(rèn)為η在30%～60%時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較明顯[2]，此區(qū)域高能量耗散效率表明，材料耗散更多的能量用于與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DRX)有關(guān)的微結(jié)構(gòu)變化，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在晶界和亞晶界處形核，使晶粒均勻細(xì)小，可使試驗(yàn)材料具有較佳的力學(xué)性能和熱加工性能[14]。因此，2507超級(jí)雙相不銹鋼的最佳加工區(qū)域基本位于變形溫度為1060～1120 ℃、應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1的范圍內(nèi)。

圖4 不同應(yīng)變條件下2507超級(jí)雙相不銹鋼的熱加工圖

2.4 安全加工區(qū)與失穩(wěn)區(qū)討論

圖5為不同變形條件下2507超級(jí)雙相不銹鋼在安全區(qū)和失穩(wěn)區(qū)的微觀組織，其中亮白色組織為奧氏體，暗黑色組織為鐵素體。安全區(qū)的試驗(yàn)鋼取自變形溫度為1100 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1的試樣，如圖5(a, b)所示?？梢钥闯觯囼?yàn)鋼在安全區(qū)的變形晶粒組織均較為均勻。失穩(wěn)區(qū)的試驗(yàn)鋼取自變形條件為950 ℃, 10 s-1和1200 ℃，0.01 s-1的試樣，在低溫高應(yīng)變速率條件下(見(jiàn)圖5(c))，組織局部變形，晶粒尺寸差異較大。由于應(yīng)變速率較高，變形過(guò)程較快，壓縮產(chǎn)生的熱量持續(xù)累積，聚集在應(yīng)力集中的區(qū)域，使試樣局部溫度急劇升高從而使組織發(fā)生軟化，產(chǎn)生局部變形。在高溫低應(yīng)變速率條件下(見(jiàn)圖5(d))，奧氏體沿垂直于壓縮方向伸長(zhǎng)，且?jiàn)W氏體比例下降，此時(shí)塑性變形過(guò)程以鐵素體相形變?yōu)橹?，溫度過(guò)高則不利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，晶粒有明顯長(zhǎng)大的趨勢(shì)。

圖5 不同變形條件下2507超級(jí)雙相不銹鋼安全區(qū)(a,b)和失穩(wěn)區(qū)(c,d)的典型微觀組織

3 結(jié)論

1) 當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，當(dāng)變形溫度一定時(shí)，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的升高而升高，在高應(yīng)變速率時(shí)，流變曲線出現(xiàn)“類屈服平臺(tái)”，在應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1時(shí)，2507超級(jí)雙相不銹鋼的軟化機(jī)制主要以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主。

3) 根據(jù)熱加工圖確定出2507超級(jí)雙相不銹鋼最佳加工區(qū)域?yàn)樽冃螠囟?060～1120 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1，該區(qū)域下能量耗散效率均大于30%。