AISI403马氏体不锈钢的热变形特性研究

马龙腾，王立民，胡 劲，刘正东，张秀丽

（1昆明理工大学 材料科学与工程学院，昆明650093；2钢铁研究总院 特殊钢研究所，北京100081；3东北特钢集团 抚顺特殊钢股份有限公司技术中心，辽宁 抚顺113001）

据国际原子能机构公开的资料，在世界第一座核反应堆运行成功至今的60余年里，核能已经占世界能源总消耗量的6%左右[1］。作为核反应堆堆内构件的重要部件之一，压紧弹簧除了需要具有耐蚀、耐热性能外，还要具有良好的力学性能来提供足够的补偿力。AISI403钢属于高合金马氏体钢，具有优良的综合力学性能，是压紧弹簧制造的备选材料。目前对AISI403钢热加工工艺的研究还很不充分，限制了其性能潜力的发挥。20世纪60年代以来，国内对高温变形中的组织变化规律方面的研究方兴未艾，如赵宪明等[2］对弹簧钢60Si2Mn热变形，程晓茹[3］对管线钢X65再结晶动力学方面的研究，以及刘宁等[4］对403Nb钢的流变应力方面的研究。国外学者对高温变形方面的研究主要集中于高温合金[5］和不锈钢[6，7］。热加工图方面，Prasad等[8－10］根据大塑性变形连续介质力学、物理系统模拟和不可逆热力学理论建立了动态材料模型。本工作借助热模拟试验机Gleeble－1500D对AISI403钢在热压缩条件下的动态再结晶以及组织特点进行了研究，并通过热加工图的绘制，拟获得钢种的最佳热加工工艺条件并预测其变形失稳区，为其热加工工艺的制订提供理论依据。

1 实验材料及设备

实验所用403钢采用真空感应炉冶炼，锭重25kg，化学成分如表1所示。

表1 403钢的化学成分（质量分数／%）Table 1 Chemical composition of 403steel（mass fraction／%）

冶炼后经开坯锻造轧制成φ17mm棒材，加工成φ8mm×12mm圆柱体热压缩试样。在Gleeble－1500D试验机上进行热模拟实验。

压缩过程中，在氩气保护下，同时在试样两端加放钽片，以减少摩擦对应力状态的影响。将试样以20℃／s加热到1200℃，保温3min，使奥氏体均匀化；然后以10℃／s的冷却速率冷却到变形温度，并以一定的应变速率进行实验，试样总压缩量均为60%。热压缩变形工艺如图1所示。

图1 热压缩变形工艺Fig.1 Processes of hot compression

将实验后的试样过圆心沿轴线进行纵向切割，切割面打磨抛光后用高锰酸钾稀硫酸溶液进行化学腐蚀[11］，并用德国Leica MEF4M 金相采集显微镜进行观察。

2 实验结果与分析

2.1 真应力－真应变曲线

热压缩真应力－真应变曲线如图2所示。其中ε为真应变，σ为真应力。

在应变速率为0.01s－1时，如图2（a）所示，除900℃之外，在其余各温度下，曲线均出现峰值，有明显的再结晶现象发生。在应变速率为0.1s－1时，可看出除900℃有明显的加工硬化现象之外，在950℃和1000℃下，曲线的趋势都比较平缓，有动态回复现象发生；在更高的温度下，即1050～1150℃下，曲线出现了明显的峰值，有再结晶现象发生，如图2（b）所示。同理，如图2（c）所示，应变速率为1s－1时，有明显加工硬化现象的温度为900～1050℃；有动态回复发生的温度为1100℃；有再结晶现象的温度为1150℃。应变速率为10s－1时，基本没有曲线出现峰值，即没有动态再结晶现象的发生，如图2（d）所示。由以上现象可以看出：应变速率相同时，随温度升高，峰值应力和稳态流变应力都降低；应变速率相同时，随温度升高，曲线的变化趋势如下：应力随应变缓慢上升→应力保持在一个基本平稳的状态→曲线出现峰值；温度低，应变速率高时，曲线并无明显峰值；温度高，应变速率低，曲线出现峰值，即发生了明显的动态再结晶现象。

在变形温度为900℃时，如图2（e）所示，随着应变速率由0.01s－1增至10s－1，峰值应力由141.2MPa增至262.82MPa。变形温度为1050℃，如图2（f）所示，也可看到峰值应力随应变速率增加而升高的趋势。在曲线的形状方面，除在0.01s－1下，有明显的动态回复现象发生外，其余更高的应变速率下都只有加工硬化发生。变形温度为1050℃时，除在0.01s－1和0.1s－1下，曲线出现明显的峰值外，1s－1和10s－1的应变速率下，只有加工硬化现象发生。由此可以看出：温度相同时，随应变速率升高，峰值应力和稳态流变应力也逐渐增加；同一温度下，较低的应变速率所在的曲线上更容易出现峰值，即出现动态再结晶。

2.2 热变形方程的推导

在热变形过程中，流变应力σ主要受变形温度T和应变速率ε·的影响。而Zener－Hollomon参数（Z参数）概括了变形温度T和应变速率ε·，一般表示为

式中：Q为热变形激活能；R为摩尔气体常数（R＝8.314J·mol－1·K－1）；T 为绝对温度（K）；ε·为应变速率[12］。在真应力－真应变曲线中，σ和ε·的关系可用经典的双曲函数表示[13］：

式中：A为常数；σp为曲线的峰值应力；α为应力因子，与钢种的成分有关，经过计算为0.0087256；n为应力指数。

图2 AISI403马氏体不锈钢的热变形曲线（a）＝0.01s－1；（b）＝0.1s－1；（c）＝1s－1；（d）＝10s－1；（e）变形温度900℃；（f）变形温度1050℃Fig.2 Hot deformation curves of AISI403matensitic stainless steel（a＝0.01s－1；（b＝0.1s－1；（c）＝1s－1；（d）＝10s－1；（e）T＝900℃；（f）T＝1050℃

对式（2）两边取对数，并分别对lnε·和1／T 求偏导，得

分别绘制ln[sinh（ασp）］－1／T，ln[sinh（ασp）］－lnε曲线，如图3和图4所示。

根据最小二乘法[14］，进行线性回归，得到403钢的热变形激活能Q＝395.165kJ／mol，n＝5.415232。代入式（1）可得

图3 AISI403钢峰值应力与变形温度的关系Fig.3 Relationship curves between peak stress and deformation temperature for AISI403steel

由式（1）和式（2）可得

图4 AISI403钢峰值应力与应变速率的关系Fig.4 Relationship curves between peak stress and strain rate for AISI403steel

对式（6）两边取对数得：

由式（7）可以看出，lnZ与ln[sinh（ασp）］呈线性关系。从式（5）可以求得Zener－Hollomon参数，然后作出lnZ和ln[sinh（ασp）］之间的关系曲线，如图5所示，可以看出，实验值基本落在回归直线的附近，线性相关系数为0.92272，表明实验数据很好地反映了式（6）所表达的意义。通过确定回归直线的截距即可确定式（6）中的常数A＝4.9991×1018。

图5 lnZ与ln[sinh（ασp）］之间的关系Fig.5 Relationship curves between lnZand ln[sinh（ασp）］

将A值代入式（6）中得到Z参数与σp和T之间的关系，即和T与σp的关系

2.3 压缩后试样的金相组织

图6为不同变形条件下AISI403钢的典型组织。由图6（a）可知，在变形温度较低时，晶粒仍然是热压缩后被拉长的状态，结合流变曲线可知，此时动态软化作用较弱，加工硬化仍然占主导地位，发生动态再结晶较困难。这是由于变形温度较低时，螺位错的交滑移和刃位错的攀移均较易进行，这样就容易从结点和位错网中解脱出来而与异号位错相互抵消，因此亚组织中的位错密度较低，剩余的储能不足以引起动态再结晶，软化机制以动态回复为主[15］。从图6（b）和图6（c）可知，在应变速率为0.01s－1时，两个变形温度下均有再结晶的发生。随着变形温度的升高或者应变速率的降低，材料获得更大的形变储能，而形变储能可以为晶界的迁移提供驱动力，当这种驱动力大于由于界面曲率存在而引起的驱动力时，会导致晶界向外弓出，形成新晶粒的核心，有助于再结晶发生。对比图6（c）和图6（d）可知，在变形温度为1050℃时，材料在两种应变速率下均发生了再结晶；且在应变速率为10s－1时，晶粒尺寸明显要小于应变速率为0.01s－1时的晶粒。应变速率增加，由于变形产生的位错密度越大，峰值应力和储存能均增加，亚态再结晶的驱动力也增大，可有效抑制晶粒长大现象的发生。

2.4 热加工图的建立

热加工图的建立主要基于动态材料模型，该模型认为，材料热变形过程中的能量消耗行为取决于材料显微组织的变化[16］。Prasad[8］介绍了热加工图建立的理论依据和方法。根据此模型建立的403马氏体不锈钢的热加工图如图7所示，材料的真应变为0.4。

图7中等值线为能量消耗效率η，它描述了材料热变形过程中因微观组织的变化而消耗的能量与总能量的比值，其数值越高说明材料的热加工性越好。

流变失稳判据则采用式（10）。阴影区域代表流变失稳区。

式中m表征材料热变形中的软化程度。

流变失稳区（图7中D1区）主要出现在较低温度和较高应变速率下，流变失稳区内的能量耗散效率η较低，最大值不超过0.27；随变形温度的升高或应变速率的降低，能量耗散效率值总体上呈增加趋势，且出现了两个能量耗散效率值较高的区域D2和D3。其中，D2区主要分布在温度为930～975℃，应变速率为0.01～0.025s－1的区域，该区域内的最小η值不低于0.36；D3区主要分布于1025～1080℃，应变速率为0.01～0.017s－1的区域，该区域内的最小η值同样不低于0.36。

图6 不同变形条件下AISI403钢的典型组织（a）变形温度900℃，应变速率0.1s－1；（b）变形温度950℃，应变速率0.01s－1；（c）变形温度1050℃，应变速率0.01s－1；（d）变形温度1050℃，应变速率10s－1Fig.6 Typical micro structure of AISI403steel under different deformation conditions（a）T＝900℃，＝0.1s－1；（b）T＝950℃＝0.01s－1；（c）T＝1050℃，＝0.01s－1；（d）T＝1050℃＝10s－1

图7 AISI403钢的热加工图（ε＝0.4）Fig.7 Hot processing map for AISI403steel（ε＝0.4）

图7中流变失稳区（D1区）的典型组织如图8所示。在变形温度为950℃，应变速率为10s－1下，能量耗散效率较低，为0.078左右。从图8中可知，材料已经开始发生动态再结晶，在再结晶完成的晶粒晶界处，有不少小的晶粒存在，晶粒尺寸十分不均匀，混晶严重，因而，此变形条件下并不适合热加工。D2区为再结晶区，典型组织如图6（b）（950℃，0.01s－1）所示。可以看出，其组织为均匀细小的等轴晶粒，这是典型的动态再结晶组织，具有良好的综合力学性能。D3区同样为再结晶完成的区域，晶粒尺寸稍大于D2区。由此可见，在图7中的D2区和D3区都是热加工的安全区域，且D2区更适宜热加工。

图8 流变失稳区典型组织（950℃，10s－1）Fig.8 Typical micro structure of instability zones（950℃，10s－1）

3 结论

（1）AISI403不锈钢在950～1150℃，应变速率在0.01～0.1s－1的条件下，发生了较明显的动态再结晶；当应变速率为1s－1和10s－1时，主要发生了动态回复。

（2）403钢热压缩变形条件下的Z参数表达式和热变形方程分别为与钢的热变形激活能Q＝395.165kJ／mol。

（3）真应变为0.4时，有两个区域能量消耗效率达到最高值：变形温度930～975℃，应变速率0.01～0.025s－1；变形温度1025～1080℃，应变速率0.01～0.017s－1。此时能量消耗效率为0.36左右，进行热加工可获得大小均匀的再结晶组织。

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