盧 云 高 杰 劉劍輝

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000； 2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

雙相不銹鋼(duplex stainless steel, DSS)固溶態(tài)組織中含有近似等體積分?jǐn)?shù)的鐵素體和奧氏體，其力學(xué)性能和耐應(yīng)力腐蝕性能等優(yōu)于奧氏體不銹鋼，已廣泛應(yīng)用于建筑、石油化工、海洋工程等領(lǐng)域[1- 4]。近年來，國內(nèi)外對2507雙相不銹鋼的研究主要集中在耐蝕性能[5]、時效析出[6]及開發(fā)更高Cr含量超超級雙相不銹鋼[7]等方面，但對其高溫變形行為及變形機(jī)制的研究不如傳統(tǒng)Cr- Ni系節(jié)Ni型雙相不銹鋼多[5- 8]，其與2205雙相不銹鋼熱變形規(guī)律的差異也有待進(jìn)一步探討。

根據(jù)雙相不銹鋼相圖，在較高變形溫度，奧氏體與鐵素體共存，由于兩者晶體結(jié)構(gòu)有差異，導(dǎo)致其熱變形抗力不同，軟化機(jī)制也不同，軋制時易產(chǎn)生邊裂、起皺等缺陷。因此,研究雙相不銹鋼的高溫變形行為及機(jī)制尤為迫切。目前對雙相不銹鋼熱變形的研究主要集中在節(jié)Ni型雙相不銹鋼[8- 9]，對2507雙相不銹鋼的研究不多。通常，鐵素體具有較高的層錯能，在熱變形過程中更易發(fā)生動態(tài)回復(fù)[10]。一般認(rèn)為，鐵素體只發(fā)生動態(tài)回復(fù)而不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，但童駿等[11]通過試驗發(fā)現(xiàn)，雙相不銹鋼在不同熱變形過程中鐵素體有動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶兩種軟化機(jī)制。奧氏體的層錯能較低，致使動態(tài)回復(fù)受限，僅在熱變形初期少量發(fā)生，只有當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到一定程度才發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化[12- 13]。因此，2507不銹鋼熱加工過程中兩相的軟化機(jī)制及對熱塑性控制亟待進(jìn)一步研究。本文采用Gleeble- 3500熱模擬試驗機(jī)對2507雙相不銹鋼進(jìn)行了高溫單向熱壓縮試驗，以探討熱變形參數(shù)對其熱加工行為的影響，構(gòu)建最大變形抗力的本構(gòu)方程，并基于動態(tài)材料模型(dynamic materials model, DMM) 理論繪制不同熱變形條件下的熱加工圖，檢驗熱變形后組織，優(yōu)化熱加工工藝，為2507雙相不銹鋼的實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 高溫流變曲線特征

采用熱力學(xué)軟件計算的2507雙相不銹鋼相比例隨溫度(600～1 500 ℃)的變化如圖 1所示。圖1表明，此鋼在加熱或冷卻過程中除了發(fā)生鐵素體與奧氏體之間的轉(zhuǎn)變外，還形成了M2(C,N)相、σ相、χ相和Laves相等金屬間化合物和碳化物。在平衡冷卻過程中，鐵素體是先共晶相，奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度低于1 385 ℃，而且隨著溫度的降低奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，溫度降至1 075 ℃時，奧氏體和鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)各占50%。σ相轉(zhuǎn)變始于約1 000 ℃，且隨著溫度的降低，會取代部分鐵素體相。本文即在該相圖的溫度范圍內(nèi)采用Gleeble- 3500熱模擬機(jī)進(jìn)行熱壓縮試驗。

圖1 2507雙相不銹鋼中相質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化Fig.1 Variation in mass fraction of phases in the 2507 duplex stainless steel with temperature

圖2 2507雙相不銹鋼在不同溫度以0.01(a)、0.1(b)、1(c)和10 s-1(d)的應(yīng)變速率壓縮變形時的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線Fig.2 True stress- true strain curves of the 2507 duplex stainless steel during compression deforming at different temperatures at stain rates of 0.01(a), 0.1(b), 1(c), and 10 s-1(d)

2.2 熱變形本構(gòu)方程

(1)

在低應(yīng)力水平下，式(1)可變換為：

(2)

在高應(yīng)力水平下，式(1)可變換為：

(3)

為了獲得熱變形過程中溫度與應(yīng)變速率之間的關(guān)聯(lián)性，引入Z(Zener-Hollomon)參數(shù)[15]。Z參數(shù)是溫度補償?shù)淖冃嗡俾室蜃樱Ｓ糜谘芯孔冃嗡俾屎蜏囟葘嶙冃芜^程的影響。熱變形過程Z參數(shù)的表達(dá)式為：

(4)

式(4)變形整理可得：

(5)

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的性質(zhì)，可將流變應(yīng)力表達(dá)為：

(6)

式中：材料常數(shù)A、α、n和Q可通過真應(yīng)力、真應(yīng)變數(shù)值求得。

為便于計算，式(1)中σ通常取峰值應(yīng)力σp[15]值。對式(1)兩邊取對數(shù)可得：

(7)

圖3 2507雙相不銹鋼的與之間關(guān)系Fig.3 lnσp versus σp versus (b) for the 2507 duplex stainless steel

圖4 2507雙相不銹鋼的ln[sinh(ασ)]-1/T(a)和之間關(guān)系Fig.4 ln[sinh(ασ)] versus 1/T(a)and ln[sinh(ασ)] versus for the 2507 duplex stainless steel

對式(4)兩邊取對數(shù)得：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(8)

lnZ-ln[sinh(ασ)]曲線如圖5所示。對圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，直線截距l(xiāng)nA=41.464 55，求得A=1.02×1018，擬合線性相關(guān)性較好。

圖5 2507雙相不銹鋼的ln[sinh(ασ)]與 lnZ之間關(guān)系Fig.5 ln[sinh(aσ)] versus lnZ for the 2507 duplex stainless steel

通過上述計算得到了在試驗條件下2507雙相不銹鋼的熱變形參數(shù)，如表1所示，代入式(1)得到2507雙相不銹鋼的峰值應(yīng)力本構(gòu)方程：

表1 試驗用2507雙相不銹鋼的熱變形參數(shù)Table 1 Hot deformation parameters for the tested 2507 duplex stainless steel

(9)

將材料參數(shù)代入式(9)，進(jìn)而求得適合于工藝流程的流變應(yīng)力方程：

(10)

(11)

有很多研究者研究過典型雙相不銹鋼的熱變形激活能。蘇煜森等[17]研究了經(jīng)濟(jì)型2101雙相不銹鋼的熱變形特性；Faccoli等[18]研究了2205雙相不銹鋼的熱變形特性；童駿等[11,19]研究了00Cr25Ni7超級雙相不銹鋼的高溫?zé)嶙冃芜^程。對比發(fā)現(xiàn)，研究用材料的主要成分及熱變形激活能Q均不盡相同，如表 2所示。

表2 不銹鋼的化學(xué)成分和熱變形激活能 Table 2 Chemical composition and thermal deformation active energy of stainless steels

變形激活能Q反映的是高溫塑性變形時應(yīng)變硬化與動態(tài)軟化之間的平衡關(guān)系，即材料熱變形的難易程度，與材料組織有關(guān)。從表 2可以看出，Q值均為400～600 kJ/mol。Duprez等[21]認(rèn)為，單相奧氏體的熱變形激活能(390～500 kJ/mol)高于單相鐵素體(270～400 kJ/mol)，而超級雙相不銹鋼的熱變形激活能則介于這兩者之間，為425.00 kJ/mol。相比較，表2中超級雙相不銹鋼(鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%)的熱變形激活能稍高于一般22Cr型雙相不銹鋼，說明合金元素含量高的雙相鋼難以熱變形。本文計算的鋼的應(yīng)力指數(shù)n為4.63，結(jié)合獲得的熱變形激活能可以推斷，其變形機(jī)制主要是晶內(nèi)熱激活自擴(kuò)散引起的位錯攀移[22]。

2.3 熱加工圖

為了優(yōu)化雙相不銹鋼的熱加工性能，確定材料最佳的熱加工工藝參數(shù)，避開加工失穩(wěn)區(qū)，廣泛采用基于動態(tài)材料模型理論(dynamic materials model, DMM)的熱加工圖制定熱加工工藝。通過熱加工圖的構(gòu)建不僅可將材料各熱加工區(qū)域內(nèi)耗散微觀組織結(jié)構(gòu)演變與變形介質(zhì)力學(xué)聯(lián)系起來，還能明確熱加工過程中的不穩(wěn)定動態(tài)響應(yīng)的區(qū)域，為材料熱加工工藝的制定和優(yōu)化提供依據(jù)。從DMM模型可知，外界對工件做功主要通過兩種形式耗散，即熱量耗散產(chǎn)生的能量耗散和材料微觀組織演變引起的能量耗散。引入功率耗散系數(shù)η[23]：

(12)

(13)

式中：m為應(yīng)變速率敏感系數(shù)。根據(jù)圖2中真應(yīng)力-真應(yīng)變數(shù)據(jù)求得m值，從而計算出η值。

(14)

圖6 應(yīng)變量為0.7的功率耗散效率系數(shù)η值的等高線圖(a)和失穩(wěn)參數(shù)圖(b)Fig.6 Contour maps of power dissipation coefficient η(a) and the rheological instability parameter under the condition of strain being 0.7

將相同應(yīng)變量下的功率耗散系數(shù)η等高線圖與流變失穩(wěn)參數(shù)圖疊加在一起，即得到材料在該應(yīng)變量時的熱加工圖。圖7為應(yīng)變量分別為0.3、0.5和0.7時2507雙相不銹鋼的DMM熱加工圖，陰影部分表示塑性失穩(wěn)區(qū)域。由圖7可以看出，在0.3、0.5和0.7的應(yīng)變速率范圍內(nèi)，熱加工圖中的失穩(wěn)區(qū)域位置基本相同，均是灰色區(qū)，僅是區(qū)域的大小略有不同。隨著應(yīng)變量的增大，僅高溫區(qū)的失穩(wěn)范圍縮小，說明在此應(yīng)變量范圍內(nèi)雙相不銹鋼的熱加工性能對溫度敏感。當(dāng)應(yīng)變速率大于1 s-1且變形溫度較高時，或者溫度低于950 ℃、應(yīng)變速率較小時，試驗鋼最易發(fā)生失穩(wěn)。而圖7的中下部分(中高溫、中低應(yīng)變速率區(qū))，功率耗散系數(shù)η>0.30，數(shù)值較大，在此區(qū)域內(nèi)熱變形易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，因而鋼的塑性變形性能良好，不在失穩(wěn)區(qū)，應(yīng)盡可能選擇在這一參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工。根據(jù)圖7可以推斷，適合2507不銹鋼的熱加工工藝參數(shù)范圍為變形溫度950～1 100 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.85 s-1。

圖7 應(yīng)變量0.3(a)、0.5 (b) 和0.7(c)對應(yīng)的2507雙相不銹鋼的熱加工圖Fig.7 Hot working maps corresponding to stains of 0.3(a), 0.5(b) and 0.7(c) for the 2507 duplex stainless steel

大部分塑性變形機(jī)制都是多晶體內(nèi)滑移系開動、位錯滑移或攀移和位錯交割。位錯運動需要材料多晶組織的協(xié)同變形或轉(zhuǎn)動配合。隨著應(yīng)變速率的增大，材料在形變過程中短時間接受的外力做功越多，材料發(fā)生大的塑性變形。若晶粒不能及時變形，部分滑移系難以開動，位錯塞積使其滑移受阻而發(fā)生應(yīng)力集中，則只能通過局部區(qū)域的失穩(wěn)變形即不均勻變形或開裂等形式釋放外部所做的功，即出現(xiàn)塑性失穩(wěn)。

圖8為2507雙相不銹鋼在不同溫度以不同應(yīng)變速率熱壓縮變形后的顯微組織。熱變形前的組織為鐵素體(深色)和奧氏體(淺色)，奧氏體沿軋制方向呈條帶狀或短桿狀分布在鐵素體中，兩相含量基本相同。目前絕大多數(shù)的研究者均認(rèn)為，雙相不銹鋼中鐵素體較軟，因此鐵素體優(yōu)先發(fā)生變形；奧氏體變形以動態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)制為主。應(yīng)變速率較大或變形溫度較低時，鐵素體的動態(tài)回復(fù)緩慢，奧氏體的動態(tài)再結(jié)晶將成為材料的主要軟化機(jī)制[14]。

由圖2、圖7和圖8可知，不同應(yīng)變量下的失穩(wěn)區(qū)(試驗范圍內(nèi))主要集中在低溫、低應(yīng)變速率以及高溫、高應(yīng)變速率區(qū)，此時功率耗散系數(shù)較小。非失穩(wěn)區(qū)處于高溫和低應(yīng)變速率區(qū)，而且功率耗散系數(shù)均較大(大于0.30)，即優(yōu)化的熱加工區(qū)變形溫度為950～1 100 ℃、應(yīng)變速率為0.01～0.85 s-1。

圖8 熱壓縮變形前(a)及在900(b, c, d)、1 100(e)、1 150 ℃(f, g, h)以0.01(f)、0.1(b, c, e)、1(g)、10 s-1(d,h)的應(yīng)變速率熱壓縮后2507雙相不銹鋼的微觀組織Fig.8 Microstructures of the 2507 DDS before (a) and after hot compression deformation at 900(b, c, d),1 100(e), and 1 150 ℃(f, g, h) and at strain rates of 0.01(f), 0.1(b, c, e), 1(g),and 10 s-1(d, h)

3 結(jié)論

(1)在低應(yīng)變速率下，2507雙相不銹鋼的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線上動態(tài)再結(jié)晶特征明顯，而在高應(yīng)變速率下，流變曲線主要表現(xiàn)為動態(tài)回復(fù)特征。

(2)2507雙相不銹鋼的高溫?zé)釅嚎s變形受熱激活過程控制，其熱變形激活能Q為 473.01 kJ/mol；峰值流變應(yīng)力本構(gòu)方程為：

(3)在950 ～ 1 100 ℃溫度和0.01～0.85 s-1應(yīng)變速率區(qū)間內(nèi)，2507雙相不銹鋼的功率耗散系數(shù)較大，發(fā)生明顯的奧氏體動態(tài)再結(jié)晶，是最佳的熱加工區(qū)間。