張繼林，賈海深，易湘斌，竇建明，唐林虎，秦娟娟，徐創(chuàng)文

（1.蘭州工業(yè)學院,甘肅省精密加工技術及裝備工程研究中心,甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學院,綠色切削加工技術及應用甘肅省高校重點實驗室,甘肅 蘭州 730050）

0 引言

奧氏體不銹鋼廣泛應用于軍工、石油化工、生物工程等領域[1-5]，06Cr19Ni10 不銹鋼是一種典型（鉻-鎳）不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強度和機械特性。隨著科技的進步，對06Cr19Ni10 不銹鋼零件的加工精度要求提高，其加工和使用受到高溫和動態(tài)載荷作用，處于高溫高應變狀態(tài)，因此，在高溫高應變率條件下對它的動態(tài)力學性能研究勢在必行。

高溫高應變率對力學性能影響的研究表明，隨著應變率的增加，材料的應力增加，這種現(xiàn)象稱為應變率強化效應；而隨著溫度的增加，材料的真實應力減少，這種現(xiàn)象稱為溫度軟化效應[6-10]。到目前為止，對06Cr19Ni10 不銹鋼的研究大多為高溫準靜態(tài)試驗和室溫動態(tài)試驗，同時在高應變率耦合高溫下的動態(tài)力學性研究較少，并且應變速率和溫度對顯微組織的研究也較少。張紅等[11]人對某種不銹鋼材料在溫度20～800 ℃和應變率103～104s-1下，得到材料在不同溫度和應變率耦合作用下的真實應力-應變曲線。許澤建等[12]人報道了0Crl8Nil0Ti 焊接頭的母材和焊縫在25～600 ℃溫度和200～3 800 s-1應變率下的力學性能。尚兵等[13]人研究了0CrlTMn5Ni4M03Al 不銹鋼在3 種應變率(300、1 000、2 700 s-1)和4 種環(huán)境溫度(25、300、500、700 ℃)下的應力應變關系。何著等[14]人測定了0Crl7Ni4Cu4Nb 不銹鋼在多種應變率下的動態(tài)應力-應變關系。魏玉偉等[15]人研究了馬氏體含量對1Cr17Ni1 雙相不銹鋼動態(tài)和準靜態(tài)力學性能的影響。然而，上述文獻未對高溫高應變率耦合下的動態(tài)力學性能進行研究，也未結(jié)合微觀組織進行分析研究，為此高溫高應變率耦合下研究材料動態(tài)力學性能和微觀組織顯得更為重要。

筆者利用高溫分離式霍普金森動態(tài)試驗裝置，測試了06Cr19Ni10 不銹鋼在高溫和高應變率下的動態(tài)力學性能，得到了真實的應力-應變曲線，研究了不同應變速率和不同溫度對其動態(tài)力學性能和顯微組織的影響（3 000 s-1）。此研究能夠補充06Cr19Ni10 不銹鋼的力學性能，可以為后續(xù)建立本構(gòu)方程和進行數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及過程

試驗材料是從市場上購買張家港浦項不銹鋼有限公司生產(chǎn)的30 mm 厚不銹鋼06Cr19Ni10 板材，除Fe 以外的主要化學成分如表1 所示。

表1 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼主要化學成分Table 1 Main chemical compositions of 06Cr19Ni10 stainless steel%

試驗前材料經(jīng)過1 050 ℃加熱+保溫30 min+空冷的固溶處理后，首先采用線切割方式將材料加工成?3 mm×3 mm 圓柱試樣，保證試樣端面與圓柱面的垂直度，然后用碳化硅研磨紙拋光試樣的兩個端面，保證表面粗糙度Ra≤1.6 μm。

采用高溫分離式霍普金森動態(tài)試驗裝置進行不同溫度和不同應變率下的沖擊試驗，實現(xiàn)四種溫度（25、100、200、300 ℃）和五種平均應變速率（1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 s-1）下的動態(tài)加載，試驗用子彈長度100 mm，壓桿直徑為8 mm。為了減少試驗的誤差，沖擊試樣載荷面添加潤滑劑，同時每種條件下進行三次試驗取平均值，得到真實的應力應變關系曲線。沖擊試驗結(jié)束后，沿軸線切割回收試樣，研磨、拋光后制作成顯微樣本，使用FeCl3（5 g）+HNO3（50 mL）+H2O（100 mL）混合溶液腐蝕1 min 左右，清洗、干燥之后采用FEI Inspect F50 掃描電子顯微鏡對應變率為3 000 s-1的變形后試樣進行顯微組織觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 真應力-真應變曲線

不同應變率下的真應力-真應變曲線分別如圖1所示?？梢钥闯觯谌我庖环N應變率下，隨著溫度的增加，真應力-真應變曲線呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于隨著溫度的升高，熱激活作用逐漸增強，原子動能也逐漸增大，原子間的結(jié)合力逐漸減弱，位錯滑移的臨界切應力降低，材料的變形抗力降低。同時，隨著溫度的升高，材料動態(tài)再結(jié)晶的形核率增大，使晶核長大的驅(qū)動力增加，進而使動態(tài)再結(jié)晶軟化作用增強。在任意一種溫度下，隨著應變率的增加，真應力-真應變曲線呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于應變速率增加，材料的臨界剪切應力增大，在相同的應變率下變形機制具有可比性。應力值達到峰之前，在相同溫度和應變率條件下，應力隨應變的增加而增大，這是由于在高的應變下，位錯密度增加。在整個變形范圍內(nèi)，真應力隨著應變的增加而增加，表明應變率起主要作用，溫度起次要作用。進一步得知，該材料具有應變率強化效應和溫度軟化效應。此外，最大應變隨著溫度和應變率的增加而增加，應變率從1 000 s-1增加到1 500 s-1時，最大應變增幅較明顯，其余階段有增加但不明顯。應變率從1 000～1 500 s-1、1 500～ 2 000 s-1、2 000～ 2 500 s-1、2 500～3 000 s-1，應變的最小值依次增加0.086 32、0.075 97、0.023 3、0.022，呈逐漸減少的趨勢；最大值依次增加0.131 1、0.067 49、0.035 54、0.027 89，也呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。進一步觀察，在同一應變率下，彈性變形階段內(nèi)斜率隨著溫度的增加而減小，表現(xiàn)為屈服強度降低。同時，在同一應變率下，當溫度為25 ℃時，塑性變形階段的斜率最大，表明應變硬化效應明顯。

圖1 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在不同應變率下的真應力-真應變曲線Fig.1 The true stress-strain curves of 06Cr19Ni10austeniti c stainless steel deformed in different strain rates

2.2 溫度對真應力的影響

不同應變率下，溫度和應變率的關系如圖2 所示。從圖2 可知，在任意應變率下，隨著溫度的增加，應力呈現(xiàn)出降低趨勢，表現(xiàn)出溫度軟化效應，特對應力峰值和屈服強度（彈性變形擬合直線與塑性變形擬合直線的交點）進行論述。在不同應變率下，峰值應力和屈服強度隨溫度的關系如圖3 所示。如圖3(a)所示，峰值應力隨著溫度的增加而減少，溫度從25 ℃增加到300 ℃時，應變率為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 s-1的峰值應力降幅分別是190.332、267.189、332.846、399.271、370.860 MPa，降幅程度不同，先逐漸變大后減小；如圖3(b)所示，屈服強度隨著溫度的增加而減少，溫度從25 ℃增加到300 ℃時，應變率為1 000、1 500、2000、2 500、3 000 s-1的屈服強度降幅分別是195.016、217.825、231.459、233.66、210.917 MPa，降幅程度與峰值應力有相似趨勢。

圖2 一定應變率下真實應力與溫度的關系Fig.2 Relationship between true stress and temperature under a certain strain

圖3 （a）峰值應力與溫度的關系；（b）屈服強度與溫度的關系Fig.3 (a) The relationship between peak stress and temperature;(b) The relationship between yield strength and temperature

2.3 應變率對真應力的影響

對圖1 的數(shù)據(jù)進行再處理，得到同一溫度下不同應變率的真應力-真應變關系曲線，如圖4 所示。在塑性變形范圍內(nèi)，當溫度一定時，真應力隨著應變率的增加而增加，具有應變率強化效應，但強化的程度不同。為了更加清楚的闡述應變率對真應力的影響，當應變?yōu)?.1 時，繪制不同溫度下的真應力-應變率曲線，如圖5 所示。當應變從1 000 s-1增加到3 000 s-1時，在溫度25、100、200、300 ℃下，真應力分別增加212.307、235.612、169.713、169.530 MPa。在高應變率下，應變率對真應力的影響程度明顯，可能由于較多的位錯產(chǎn)生。當溫度從25 ℃增加到100 ℃時，在應變率為1 000、1 500、2000、2 500、3 000

圖4 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在一定溫度下不同應變率的真實應力-真應變關系的比較Fig.4 Comparison of the true strain-stress relationships of 06Cr19Ni10 austenitic stainless steel at different strain rates and fixed deformation temperatures

圖5 不同溫度下ε=0.1 時真實應力與應變率的關系Fig.5 The relationship between true stress and strain rate at ε=0.1 at different temperatures

s-1下，真應力分別降低219.067、246.220、318.850、305.899、261.844 MPa。進一步得知，應變率對真應力的影響程度弱于溫度。比如，溫度25 ℃應變率1 000 s-1的真應力大于溫度300 ℃應變率3 000 s-1。這是應變率硬化和熱軟化效應之間競爭的結(jié)果，這種競爭主導了整個變形過程。

2.4 顯微組織觀察

應變率強化使材料塑性變形量增加，位錯密度不斷增加，位錯間的交互作用也不斷增強，使變形抗力增加；同時晶粒變形、破碎形成亞晶粒和亞晶界，亞晶界阻止位錯運動，使材料的強度和硬度提高[16-22]。隨著溫度的增加，位錯在變形過程中通過一定的方式運動，使部分位錯相互抵消，導致變形帶密度降低，從而真應力隨著溫度的增加而降低，表現(xiàn)為溫度軟化效應。變形帶有變形孿晶、層錯和位錯組成。變形帶中變形孿晶[23-26]占絕大數(shù)，對形變起增強作用。形變孿晶開始于晶界，并向晶粒內(nèi)部生長，分裂晶粒。

一般情況下，奧氏體不銹鋼變形帶密度隨著溫度的增加而減少，隨著應變率的增加而增加，低應變率下孿晶相互平行，高應變率下孿晶交織在一起[23,26]。當應變率為3 000 s-1時，在溫度25、100、200、300 ℃下變形后的顯微組織如圖6 所示。圖6中可以看出存在變形帶，呈現(xiàn)出交錯的現(xiàn)象，阻礙位錯滑移，位錯堆積，變形帶密度增加，導致應變率強化。圖6(a)至(h)有些孿晶相互平行，有些孿晶相互交織，交織的占大多數(shù)，變形帶密度依次遞減，使真應力應變曲線隨著溫度增加，向下移動，與試驗曲線吻合。這正是由于隨著溫度的升高，熱激活作用增強，原子動能增大，原子間的結(jié)合力減弱，位錯滑移的臨界切應力降低，材料的變形抗力降低。同時，材料動態(tài)再結(jié)晶的形核率增大，使晶核長大的驅(qū)動力增加，使動態(tài)再結(jié)晶軟化作用增強。

圖6 06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在應變率3 000 s?1 下不同溫度變形后的微觀組織Fig.6 Microstructures of 06Cr19Ni10 austenitic stainless steel after deformation at different temperatures and a strain

3 結(jié)論

1）在應變率1 000、1 500、2000、2 500、3 000 s-1下，隨著溫度的增加，真應力減小，但減小的幅度不相同，峰值的應變增加，06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出明顯的溫度軟化效應。

2）在溫度25、100、200、300 ℃下，隨著應變率的增加，真應力增加，增加的幅度不同，06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出明顯的應變率強化效應。

3）溫度軟化效應和應變率強化效應與變形帶密度大小有關，高應變率下，變形帶密度大，隨著變形溫度的增加變形帶密度降低，這與試驗應力的增減相吻合。

4）研究了06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼在高溫高應變率下的動態(tài)力學性能和微觀組織，今后可以利用試驗數(shù)據(jù)建立此材料的本構(gòu)方程，為數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。