張開(kāi)銘，王克魯，*，魯世強(qiáng)，柳木桐，鐘平，田野

1．南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063

2．中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 鋼與稀貴金屬研究所，北京 100095

S280 超高強(qiáng)度不銹鋼是一種新型結(jié)構(gòu)材料，其成分設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用了現(xiàn)代冶金理論，重點(diǎn)突出了Cr、Co、Mo、W 等合金元素的強(qiáng)化作用，并以含碳量不同的馬氏體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)不同的強(qiáng)化機(jī)制獲得所需要的強(qiáng)度［1］。該鋼的抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 930 MPa，斷裂韌性超過(guò)100 MPa·m1/2，同時(shí)還具有比目前應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋼如300 M、A100等更好的耐腐蝕性能，可應(yīng)用于航空航天、海洋工程、能源等（如飛機(jī)起落架、艦艇外殼、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及機(jī)翼大梁等）高端制造領(lǐng)域［2-3］。鐘錦巖等［4］通過(guò)熱處理實(shí)驗(yàn)研究了S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的微觀組織，發(fā)現(xiàn)其析出強(qiáng)化相除了Fe2Mo外，還有一種新的析出相Cr2C，同時(shí)還測(cè)定了Cr2C 和馬氏體之間的晶體學(xué)取向關(guān)系。Zhong等［5］研究了固溶和時(shí)效工藝對(duì)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)該鋼在1 080 ℃固溶時(shí)具有最佳的力學(xué)性能，在560 ℃時(shí)效時(shí)由于細(xì)小碳化物沉淀析出使強(qiáng)度最高。詹中偉等［6］對(duì)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的化學(xué)鈍化工藝優(yōu)化進(jìn)行了研究，獲得了最佳的鈍化工藝參數(shù)，并認(rèn)為鈍化后該鋼的耐腐蝕性能得到明顯提高。田帥和劉培根［7］對(duì)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼進(jìn)行了不同工藝的噴丸強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)噴丸強(qiáng)化后其疲勞性能顯著提高，疲勞裂紋也由噴丸前的多源變?yōu)閱卧?。然而目前?duì)于S280 超高強(qiáng)度不銹鋼熱變形行為及工藝參數(shù)優(yōu)化方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

響應(yīng)面法（Response Surface Methodology，RSM）已在材料科學(xué)中得到初步應(yīng)用。如吳道祥等［8］基于響應(yīng)面法對(duì)7050 鋁合金熱模鍛成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，并將獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，鍛件成形缺陷得到有效消除。李萍等［9］通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)TA15 鈦合金的微觀組織進(jìn)行預(yù)報(bào)和優(yōu)化，獲得了具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的三態(tài)組織和具有高損傷容限性能的片層組織的最優(yōu)工藝參數(shù)范圍。Shen 等［10］利用響應(yīng)面法建立了TC6 鈦合金的本構(gòu)關(guān)系模型，結(jié)果表明建立的模型具有較高精度，與Arrhenius 模型相比能更好地預(yù)測(cè)合金的流動(dòng)應(yīng)力。徐勇等［11］采用響應(yīng)面法對(duì)航空用鋁合金薄壁深腔構(gòu)件的沖擊液壓成形工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)成形的筒形件滿足貼膜率和減薄率要求。

本文基于等溫恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)獲得S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的流變應(yīng)力曲線，分析其流變行為特征；采用響應(yīng)面法，以變形條件（變形溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變）為輸入變量，材料相關(guān)參數(shù)（熱變形激活能Q、Z參數(shù)、應(yīng)變速率敏感指數(shù)m）為響應(yīng)目標(biāo)建立響應(yīng)面模型，分析變形條件對(duì)材料相關(guān)參數(shù)的交互影響規(guī)律；采用多目標(biāo)可視化優(yōu)化方法確定S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的最佳熱加工工藝參數(shù)范圍，并進(jìn)行微觀組織驗(yàn)證。研究有望為獲得組織和性能穩(wěn)定一致的無(wú)缺陷鍛件提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為S280 超高強(qiáng)度不銹鋼，其主要化學(xué)成分如表1 所示。來(lái)料加工歷史為鑄錠→1 050 ℃鍛造→680 ℃退火。原始組織如圖1 所示。熱壓縮實(shí)驗(yàn)在Thermecmaster-Z 型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，熱壓縮試樣尺寸為?8 mm×12 mm。熱壓縮前試樣兩端墊有云母片以減少壓縮過(guò)程中接觸面之間的摩擦和高溫粘連，降低變形不均勻性。變形溫度分別為850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃；應(yīng)變速率分別為0.001、0.01、0.1、1 s-1；高度壓下率為50%，對(duì)應(yīng)真應(yīng)變約為0.69。實(shí)驗(yàn)采用真空感應(yīng)加熱，先以5 ℃/s 的升溫速率加熱至預(yù)定變形溫度，保溫5 min 后按照設(shè)定的應(yīng)變速率進(jìn)行等溫壓縮，壓縮結(jié)束后以50 ℃/（s氬氣冷卻）的冷卻速度冷卻至室溫。然后將熱壓縮后的試樣沿軸對(duì)半切開(kāi)，依次進(jìn)行研磨和拋光；采用50%的硝酸水溶液進(jìn)行電解腐蝕，電解電壓為1.5～2.0 V，腐蝕時(shí)間為3 min，整個(gè)腐蝕過(guò)程配有水浴加熱，加熱溫度為50 ℃左右。最后在XJP-9A 光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行組織觀察，得到不同變形條件下的金相組織。

圖1 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼原始組織Fig.1 Original microstructure of S280 ultrahigh strength stainless steel

表1 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of S280 ultra-high strength stainless steel

2 結(jié)果與分析

2.1 流變應(yīng)力曲線

圖2 為S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在不同變形條件下的流變應(yīng)力曲線，圖中T為變形溫度，ε?為應(yīng)變速率。從圖2（a）可知當(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，說(shuō)明S280 超高強(qiáng)度不銹鋼為負(fù)溫度敏感型材料。其主要原因是變形溫度升高，原子動(dòng)能增加，位錯(cuò)的活動(dòng)性增強(qiáng)、滑移系數(shù)量增加，使流變應(yīng)力減?。?2］；同時(shí)變形溫度升高，軟化效應(yīng)更容易發(fā)生，抵消了部分加工硬化效應(yīng)，也會(huì)使流變應(yīng)力減?。?3］。從圖2（b）可知當(dāng)變形溫度一定時(shí)，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大，說(shuō)明S280 超高強(qiáng)度不銹鋼為正應(yīng)變速率敏感型材料。這主要是因?yàn)閼?yīng)變速率增加時(shí)位錯(cuò)的增殖速率增加，且位錯(cuò)之間的交叉和纏結(jié)加劇，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，導(dǎo)致流變應(yīng)力增大［14］。

圖2 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在不同變形條件下的流變應(yīng)力曲線Fig.2 Flow stress curves of S280 ultra-high strength stainless steel under different deformation conditions

從圖2 可看出在變形初期，由于塑性變形引起位錯(cuò)密度迅速增加，導(dǎo)致變形抗力增加，形成明顯的加工硬化，使流變應(yīng)力隨真應(yīng)變的增加而急劇增大，在真應(yīng)變達(dá)一定值時(shí)流變應(yīng)力達(dá)峰值［15-16］。之后隨真應(yīng)變的增加，不同變形條件下的流動(dòng)應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出不同的流動(dòng)特征。從圖2（a）可看出當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，在低變形溫度（850～950 ℃）下流變應(yīng)力曲線大致呈流動(dòng)軟化型，其軟化主要是由動(dòng)態(tài)回復(fù)和變形熱效應(yīng)引起的［17-18］；在高變形溫度（1 000～1 150 ℃）下流變應(yīng)力曲線大致呈流動(dòng)穩(wěn)態(tài)型，其軟化主要由動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起［19-20］。從圖2（b）可看出當(dāng)變形溫度一定時(shí)，不同應(yīng)變速率條件下流變應(yīng)力曲線的軟化程度均較小，曲線基本接近動(dòng)態(tài)回復(fù)型，但結(jié)合微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)其軟化機(jī)制還是以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主。

圖3 為S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在1 100 ℃未變形和應(yīng)變速率為1 s-1的變形條件下的微觀組織。從圖3 中可看出與未變形的微觀組織相比，變形后微觀組織中的粗大晶粒大部分已被晶界清晰的細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒取代，因此可判定該變形條件下主要的軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖3 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在1 100 ℃時(shí)未變形和應(yīng)變速率1 s-1條件下的微觀組織Fig.3 Microstructures of S280 ultra-high strength stainless steel at 1 100 ℃ without deformation and at strain rate of 1 s-1

2.2 熱變形激活能與Z 參數(shù)

熱變形激活能Q是表征材料高溫塑性變形難易程度的重要材料參數(shù)，與熱變形的多個(gè)過(guò)程密切相關(guān)［21］。Z參數(shù)即Zener-Hollomen 參數(shù)，可表征熱變形過(guò)程中軟化機(jī)制的類(lèi)型，反映應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)熱變形行為的綜合影響。Q和Z可通過(guò)Zener-Hollomen 優(yōu)化的Arrhenius 方程描述［22］：

式中：?為應(yīng)變速率，s-1；σ為流變應(yīng)力，MPa；Q為熱變形激活能，kJ/mol；T為熱力學(xué)溫度，K；R為氣體常數(shù)，R=8.314 J/（mol·K）；A、A1、A2、n、n1、α和β為材料相關(guān)的常數(shù)，且α=β/n1。

對(duì)式（1）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得

當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)熱變形激活能Q的表達(dá)式為

式中：k為ln［sinh（ασ）］-1/T擬合直線的斜率。

以應(yīng)變0.69 下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)為例求解熱激活能Q和lnZ。由式（2）可知lnσ-lnε?和σ-lnε?擬合直線斜率的平均值分別為n1和β，進(jìn)而求出α。根據(jù)α可求出ln［sinh（ασ）］-lnε?擬合直線的斜率，即n。相應(yīng)地求出ln［sinh（ασ）］-1/T擬合直線的斜率即為k。將求出的材料相關(guān)常數(shù)分別代入式（2）和式（3）中即可求出應(yīng)變?yōu)?.69 時(shí)的Q和lnZ，分別如表2 和表3 所示。

表2 應(yīng)變?yōu)?.69 時(shí)的熱變形激活能Table 2 Thermal deformation activation energies at strain of 0.69

表3 應(yīng)變?yōu)?.69 時(shí)的ln ZTable 3 ln Z at strain of 0.69

2.3 應(yīng)變速率敏感指數(shù)

在特定應(yīng)變和變形溫度條件下，材料對(duì)應(yīng)變速率響應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程為［23］

式中：K為常數(shù)；m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，表征材料抵抗局部塑性變形或產(chǎn)生均勻變形的能力，研究表明m越大材料熱變形時(shí)的可加工性越好［24］，其表達(dá)式為

式中：ε為真應(yīng)變。

通過(guò)三次樣條函數(shù)擬合lgσ和lgε?之間的關(guān)系：

式中：a、b、c和d為系數(shù)。

則m可表示為

將S280 超高強(qiáng)度不銹鋼熱壓縮實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)代入式（6）、式（7）即可計(jì)算出不同變形條件下的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m。以應(yīng)變0.69 為例，求得其應(yīng)變速率敏感指數(shù)m如表4 所示。

表4 應(yīng)變?yōu)?.69 時(shí)的應(yīng)變速率敏感指數(shù)mTable 4 Strain rate sensitivity exponent m at strain of 0.69

3 響應(yīng)面模型的建立和多目標(biāo)可視化優(yōu)化

3.1 響應(yīng)面模型的建立與精度評(píng)估

響應(yīng)面模型最初由Box 和Wilson［25］提出，最先應(yīng)用在化學(xué)和生物領(lǐng)域；其主要思想是先通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和待定系數(shù)法求出具有明確表達(dá)式的多項(xiàng)式?=（fx），而后近似表達(dá)隱式功能函數(shù)y=y（x）并將?=（fx）函數(shù)通過(guò)圖形技術(shù)以響應(yīng)曲面和等高線圖的形式顯示出來(lái)，進(jìn)而分析各目標(biāo)響應(yīng)值與輸入變量之間的變化規(guī)律，最終通過(guò)其可視化優(yōu)化算法尋找到響應(yīng)目標(biāo)的最佳優(yōu)化區(qū)域。其優(yōu)勢(shì)在于具有較高的計(jì)算效率，能應(yīng)用簡(jiǎn)潔明了的顯示函數(shù)表示輸入變量與響應(yīng)目標(biāo)之間隱藏的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。響應(yīng)面模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有多種，最常用的是Box-Behnken 設(shè)計(jì)和中心復(fù)合設(shè)計(jì)，筆者采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)建立二次響應(yīng)面模型。

選取等溫恒應(yīng)變壓縮實(shí)驗(yàn)的變形條件，即變形溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變作為輸入變量，將受變形條件影響的材料參數(shù)即2.2 和2.3 節(jié)所述的熱變形激活能Q、Z參數(shù)、應(yīng)變速率敏感指數(shù)m作為響應(yīng)目標(biāo)進(jìn)行建模和分析，建立的相關(guān)參數(shù)二次響應(yīng)面模型為

結(jié)合文獻(xiàn)［26-28］對(duì)模型精度分析，認(rèn)為方差分析結(jié)果P＜0.05 為顯著項(xiàng)，其中P為概率，是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂尚哦鹊闹笜?biāo)，主要用于反映輸出變量與輸入變量之間的回歸關(guān)系。以熱變形激活能Q為例，響應(yīng)面模型方差分析結(jié)果如表5 所示，可知其模型P＜0.000 1，說(shuō)明建立的模型顯著性極高。根據(jù)表5 還可知均為顯著項(xiàng)，進(jìn)一步說(shuō)明了變形條件及變形條件之間的交互作用對(duì)熱變形激活能有重要影響。圖4 為熱變形激活能Q實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較，可看出實(shí)驗(yàn)值與響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)值基本在一條直線上，其決定系數(shù)R2=0.991 8，說(shuō)明建立的響應(yīng)面模型具較高的預(yù)測(cè)精度，可用該響應(yīng)面模型對(duì)S280超高強(qiáng)度不銹鋼熱變形過(guò)程中的材料相關(guān)參數(shù)Q進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖4 熱變形激活能Q 實(shí)驗(yàn)值與響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)值的比較Fig.4 Comparison between experimental values and response surface model prediction values of thermal deformation activation energy Q

表5 熱變形激活能Q 的響應(yīng)面模型方差分析Table 5 Response surface model variance analysis of thermal deformation activation energy Q

同理根據(jù)上述方法判斷出Z參數(shù)響應(yīng)面模型中均為顯著項(xiàng)；應(yīng)變速率敏感指數(shù)m響應(yīng)面模型中均為顯著項(xiàng)。

3.2 響應(yīng)曲面與等高線圖分析

圖5 為不同變形條件的交互作用對(duì)熱變形激活能Q的響應(yīng)曲面和等高線圖。從圖5（a）和圖5（b）可知應(yīng)變一定時(shí)Q隨應(yīng)變速率增大先緩慢增加后快速增加，隨變形溫度的升高而有所降低，但下降程度不大。這主要是因?yàn)殡S應(yīng)變速率增大，達(dá)預(yù)定變形量的時(shí)間縮短，位錯(cuò)進(jìn)行交滑移和攀移的時(shí)間不充分，位錯(cuò)之間的相互抵消和重排不完全，位錯(cuò)密度就會(huì)增加，產(chǎn)生的阻力增大，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，最終使Q增加；變形溫度升高促進(jìn)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使Q有所下降［29］。從圖5（c）和圖5（d）可知，應(yīng)變速率一定時(shí)Q隨應(yīng)變的增加先降低，在應(yīng)變降至約0.5 后基本保持不變，這與流變曲線達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的應(yīng)變是一致的，即硬化和軟化效應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)隨應(yīng)變?cè)黾恿髯儜?yīng)力基本保持不變。綜上可知，S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的熱變形激活能Q受應(yīng)變速率和應(yīng)變的影響程度比變形溫度更大，這一點(diǎn)從圖5（e）和圖5（f）應(yīng)變速率和應(yīng)變的交互作用對(duì)熱變形激活能Q的響應(yīng)曲面和等高線圖上可以看出。

圖5 不同變形條件之間交互作用對(duì)熱變形激活能Q 的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.5 Response surfaces and contour maps of interaction between different deformation conditions to thermal deformation activation energy Q

圖6 為不同變形條件的交互作用對(duì)Z參數(shù)的響應(yīng)曲面和等高線圖?？煽闯鯶參數(shù)的變化規(guī)律與熱變形激活能Q基本一致，但變形溫度對(duì)Z參數(shù)的影響比對(duì)熱變形激活能的更加明顯。

圖6 不同變形條件之間交互作用對(duì)Z 參數(shù)的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.6 Response surfaces and contour maps of interaction between different deformation conditions to parameter Z

圖7 為不同變形條件之間的交互作用對(duì)應(yīng)變速率敏感指數(shù)m的響應(yīng)曲面和等高線圖，可從圖7（a）和圖7（b）看出變形溫度和應(yīng)變速率的交互作用最強(qiáng)，從圖7（c）和圖7（d）看出變形溫度和應(yīng)變的交互作用次之，從圖7（e）和圖7（f）看出應(yīng)變速率和應(yīng)變的交互作用最弱。通常認(rèn)為應(yīng)變速率敏感指數(shù)m越大，材料熱變形時(shí)的可加工性越好。從圖7（a）和圖7（b）中看出當(dāng)應(yīng)變一定時(shí)，m最大即加工性最好的區(qū)域集中在了等高線圖的右下角，即高溫（1 000～1 150 ℃）、低應(yīng)變速率（0.001～0.02 s-1）區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)隨應(yīng)變速率降低和變形溫度升高m增大。從圖7（c）和圖7（d）中可看出應(yīng)變速率一定時(shí)，應(yīng)變速率敏感指數(shù)m在較高溫度、整個(gè)應(yīng)變區(qū)域內(nèi)隨應(yīng)變?cè)黾佣兴鶞p小，但都為正值，說(shuō)明此區(qū)域內(nèi)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的熱加工性較好。從圖7（e）和圖7（f）可看出應(yīng)變速率和應(yīng)變的交互作用對(duì)于應(yīng)變速率敏感指數(shù)m的影響并不明顯。

圖7 不同變形條件之間交互作用對(duì)應(yīng)變速率敏感指數(shù)m 的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.7 Response surfaces and contour maps of interaction between different deformation conditions to strain rate sensitivity exponent m

3.3 多目標(biāo)可視化優(yōu)化

由于熱變形激活能Q是材料在熱變形過(guò)程中必須要克服的最低能量勢(shì)壘，Q越小說(shuō)明熱變形過(guò)程越容易進(jìn)行［30-31］。Z參數(shù)可表征熱變形過(guò)程中材料軟化機(jī)制的類(lèi)型，較低的lnZ有利于良好軟化機(jī)制如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。應(yīng)變速率敏感指數(shù)m是評(píng)判熱變形過(guò)程中可加工性好壞的重要參數(shù)之一，通常m越大，對(duì)應(yīng)的材料可加工性就越好。為對(duì)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼熱變形工藝參數(shù)范圍進(jìn)一步優(yōu)化，找到較佳的熱加工工藝參數(shù)范圍，采用Design-Expert 軟件的Numerical功能對(duì)材料相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以應(yīng)變0.69 為例，將S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的熱變形激活能Q、Z參數(shù)設(shè)置為minimize，應(yīng)變速率敏感指數(shù)m設(shè)置為maximize，以此進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化即可得最佳的熱加工工藝參數(shù)范圍，優(yōu)化結(jié)果如圖8 所示。圖8 中等高線表示多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的期望值，期望值大于0.8 的區(qū)域即黃色最深的區(qū)域?yàn)樽罴褵峒庸^(qū)域，其對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)范圍為變形溫度1 085～1 150 ℃、應(yīng)變速率0.001～0.003 s-1。

圖8 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在應(yīng)變?yōu)?.69 時(shí)的多目標(biāo)可視化優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Multi-objective visual optimization results of S280 ultra-high strength stainless steel at strain of 0.69

3.4 微觀組織驗(yàn)證

圖9 為S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在應(yīng)變?yōu)?.69、應(yīng)變速率為0.001 s-1時(shí)不同變形溫度下的微觀組織。圖9 中微觀組織對(duì)應(yīng)的變形條件位于3.3 節(jié)多目標(biāo)可視化優(yōu)化的最佳熱變形加工工藝參數(shù)范圍內(nèi)。從圖9 中可明顯觀察到S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的原始組織已被晶界輪廓清晰的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒取代，大部分晶粒為等軸狀，且隨變形溫度升高動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒有所長(zhǎng)大。S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在最佳熱加工工藝參數(shù)范圍內(nèi)的變形機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，該變形機(jī)制下的微觀組織具有良好的力學(xué)性能和可加工性。圖10 為S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在應(yīng)變?yōu)?.69、應(yīng)變速率為1 s-1、變形溫度為950 ℃時(shí)的微觀組織，微觀組織對(duì)應(yīng)非優(yōu)化區(qū)域，可看到晶粒沿主變形方向被壓扁，再結(jié)晶明顯不足，并觀察到組織中有輕微的局部塑性流動(dòng)現(xiàn)象，出現(xiàn)局部流動(dòng)易導(dǎo)致材料塑性變形能力下降，應(yīng)避免在此區(qū)域進(jìn)行熱加工。通過(guò)對(duì)微觀組織的觀察和分析驗(yàn)證了多目標(biāo)可視化優(yōu)化區(qū)域的準(zhǔn)確性，說(shuō)明基于響應(yīng)面法不僅可建立S280 超高強(qiáng)度不銹鋼熱變形相關(guān)參數(shù)與熱變形條件之間精確的響應(yīng)面模型，而且還能根據(jù)其可視化優(yōu)化結(jié)果得到較佳的熱加工工藝參數(shù)范圍，可用于指導(dǎo)S280超高強(qiáng)度不銹鋼實(shí)際熱加工工藝方案的制定和優(yōu)化。

圖9 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在應(yīng)變?yōu)?.69、應(yīng)變速率為0.001s-1時(shí)不同變形溫度下的微觀組織Fig.9 Microstructures of S280 ultra-high strength stainless steel with different deformation temperatures with strain of 0.69 and strain rate of 0.001 s-1

圖10 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在應(yīng)變?yōu)?.69、應(yīng)變速率為1 s-1、變形溫度為950 ℃時(shí)的微觀組織Fig.10 Microstructure of S280 ultra-high strength stainless steel at strain of 0.69， strain rate of 1 s-1，and deformation temperature of 950 ℃

4 結(jié) 論

1） S280 超高強(qiáng)度不銹鋼是正應(yīng)變速率和負(fù)溫度敏感型材料，其流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的降低和變形溫度的升高而減小。

2） 基于響應(yīng)面法建立了工藝參數(shù)與熱變形激活能Q、Z參數(shù)、應(yīng)變速率敏感指數(shù)m之間的響應(yīng)面模型，具有較高的預(yù)測(cè)精度；熱變形激活能Q和Z參數(shù)受應(yīng)變速率和應(yīng)變的影響程度比變形溫度更大；變形溫度和應(yīng)變速率之間的交互作用對(duì)應(yīng)變速率敏感指數(shù)m的影響最為明顯。

3） 根據(jù)多目標(biāo)可視化優(yōu)化結(jié)果獲得S280 超高強(qiáng)度不銹鋼最佳的熱加工工藝參數(shù)范圍為變形溫度1 085～1 150 ℃、應(yīng)變速率0.001～0.003 s-1，主要變形機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。