铸态1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢热变形行为研究

王辉亭，周灿栋，任涛林，文道维，高秀玲，李文君，戚彩梦，霍 岩



铸态1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢热变形行为研究

王辉亭1，周灿栋2，任涛林3，文道维3，高秀玲3，李文君3，戚彩梦3，霍 岩3

（1. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；2. 宝山钢铁股份有限公司研究院，上海201900；3. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040)

热变形；动态再结晶；激活能

0 前言

奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N由于具有优良的抗腐蚀性能、力学性能成为护环用材的首选。1Mn18Cr18N钢护环的一般生产工序为：炼钢-铸锭-锻造电极-电渣重熔-钢锭加热-镦粗-拔长-镦粗-冲孔-扩孔-芯棒拔长-平整-固溶热处理-变形强化-消应力处理-取样检测-加工交货等。该锻件内部组织要求很高，总体的锻造比应该大于5。护环热锻后需进行UT（超声波）探伤，最终还需要冷变形强化。1Mn18Cr18N钢合金元素含量高，可锻温度区间较窄，在成形过程中很容易出现裂纹与粗晶等。因此，控制晶粒尺寸及其均匀性成为保证超声波探伤合格并获得良好的冷变形强化工艺性能的关键[1-3]。基于以上的实际工艺性能的考虑，必须了解奥氏体不锈钢1Mn18Cr18N的热变形行为，利用热物理模拟试验机和数值分析的方法，建立材料的热变形本构方程，并得出屈服应力的演变关系方程，为护环毛坯热锻工艺的制订提供有力的理论保障和试验基础。

1 试验材料与方法

本实验采用的铸态材料由上海宝山钢铁股份有限公司提供，材料的化学成分见表1。

表1 化学成分

热变形试验在Gleeble-3500热模拟试验机上进行，采用碳化钨圆柱形压头，在试样端部涂抹一层镍基高温润滑剂，试样尺寸为，在试样和压头之间填加钽片防止高温下压头与奥氏体不锈钢发生粘合。变形温度为950oC、1000oC、1050oC、1100oC、1150oC和1200oC，应变速率为1 S-1、0.1 S-1、0.01 S-1、0.001S-1。分别将试样以10oC/s加热到1250oC，然后冷却到设定的变形温度，并在此温度保温5min，然后以不同的应变速率压缩到真应变0.92，压缩热变形结束，瞬间进行水淬处理。用王水腐蚀液来制备试样，并在OLYMPUS-PMG3金相显微镜下观察金相组织。

2 试验结果与讨论

不同温度和应变速率下的真应力-真应变曲线如图1所示。从图可以看出，不同应变速率和变形温度条件下，1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的应力应变曲线具有相似性。当应变速率低于0.01，在热压缩的开始阶段，流变应力随应变的增加而急剧地增加，为加工硬化阶段；当流变应力超过某一应力值后，流变应力的增速明显减缓，为动态回复阶段；当真应变超过某一数值后，流变应力达到峰值应力后逐渐趋于稳定或有所下降，显微组织发生动态再结晶软化过程，变形温度越高软化效果越明显。当应变速率高于0.05时，在热压缩的开始阶段，流变应力随应变的增加而急剧地增加，为加工硬化阶段；当流变应力超过某一应力值后，流变应力的增速明显减缓，为动态回复阶段；当真应变超过某一数值后，流变应力达到峰值应力后逐渐增加，变形温度越低硬化效果越明显。以上结果说明1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢对应变速率非常敏感，具有明显的正应变速率敏感性[4]，即随着应变速率的升高，材料的流动应力显著升高。这是因为在较高的应变速率下，位错的增值率显著增大，加工硬化的作用比动态软化的效果更加明显。而在较低的应变速率下，在变形的初期，加工硬化的速度大于动态软化的速度，曲线急剧地上升；随着变形的继续，动态软化的速度大于加工硬化的速度，曲线会逐渐地下降。

Sellars和Tegart提出合金在高温变形的过程中流变应力和变形温度、应变速率之间在不同的应力状态下可以用三种模型来描述：

（1）用指数关系来描述低应力状态

（2）用幂函数来描述高应力状态

（3）用双曲正弦关系来描述在所有的应力水平状态

影响热变形过程的因素主要有变形温度、应变速率和变形量，其中变形温度和应变速率对热变形过程的影响更为显著。本文采取模型（3）来表达流变应力与变形条件之间关系。

本文通过图1的应力应变关系图获取了不同温度和应变速率下的峰值应力，如表2所示。

表2 不同温度和应变速率下的峰值应力

图2为热变形峰值应力与变形温度的关系，应变速率一定时，铸态1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的热变形应力峰值与10000/T呈线性关系，即随着变形温度的升高，热变形峰值应力迅速降低。图3为应变速率对峰值应力的影响，可以看出在同一变形温度下，铸态1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的热变形峰值应力与应变速率的对数关系呈线性关系，这说明随着应变速率的增加，峰值应力呈线性增加。图4 为热变形峰值应力与Z的对数关系，Z参数（Zener-Hollomom参数）是温度校正过的应变速率，它被广泛用来表示变形温度以及应变速率对热变形过程的综合作用，通过已求得的热变形激活能值，可以计算出奥氏体不锈钢热变形的参数（=exp(Q/RT) =[sinh(ασ)]n）。从图4可以看出随着值的增加奥氏体不锈钢的热变形峰值应力也相应增加。

图5所示为，应变量为0.92，不同温度和应变速率下的热变形微观组织。图5（a）为加热至950℃应变速率为0.1时的金相组织，从图可以看出由于变形温度较低和应变速率较大，金相组织呈纤维组织，组织的伸长方向与压缩方向成90°；图5（b）为加热至1050℃应变速率为0.05时的金相组织，从图可以看出，金相组织中大部分呈纤维组织，小部分组织为再结晶组织；图5（c）和（d）分别为加热至1150℃应变速率为0.005和1200℃应变速率为0.001时的金相组织，从图可以看出，由于变形温度较高和应变速率较小，金相组织为完全再结晶组织。

图2 热变形峰值应力与变形温度的关系

图3 热变形峰值应力与应变速率的对数关系

图4 热变形峰值应力与Z的对数关系

（a）950℃应变速率为0.1

（b）1050℃应变速率为0.05

（c） 1150℃应变速率为0.005

（d）1200℃应变速率为0.001

图5 不同温度和应变速率下的热变形微观组织

3 结论

（1）铸态1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢对应变速率非常敏感，具有明显的正应变速率敏感性，即在较高的应变速率下，位错的增殖率显著增大，加工硬化的作用比动态软化的效果更加明显。而在较低的应变速率下，在变形的初期，加工硬化的速度大于动态软化的速度，流变应力急剧地增加；随着变形的继续，动态软化的速度大于加工硬化的速度，流变应力会逐渐地下降。

[1] 王艳, 王明家, 蔡大勇, 等.高强度奥氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图[J].材料热处理学报, 2005, 26(4): 65-68.

[2] 刘文昌, 王明智, 郑灿曾.18Mn-18Cr-0.5N奥氏体护环钢热变形力学行为研究[J]. 热加工工艺, 1992, 2: 6-8.

[3] 郭银芳, 刘建生, 何文武. Mn18Cr1818N护环钢的动态再结晶行为及功率耗散图[J].机械工程材料, 2010, 34(3): 5-8.

[4] Zener C,Hollomon JH.Effect of strain rate upon plastic flow of steel[J].Journal of Applied Physics, 1944(15):22.

The Hot Deformation Behavior of As-cast Austenitic Stainless Steel 1Mn18Cr18N

WANG Huiting1, ZHOU Candong2, REN Taolin3, WEN Daowei3, GAO Xiuling3, LI Wenjun3, QI Caimeng3, HUO Yan3

(1.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2.Research Institute of BaoshanIron&Steel Co., LTD, Shanghai 201900, China; 3. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

hot deformation; dynamic recrystallization; activation energy

TM303

A

1000-3983(2014)05-0031-04

2014-04-11

国家“863”课题《先进超超临界火电机组关键叶片和护环钢开发》（编号: 2012AA03A502）

王辉亭（1974-），1997年毕业于南昌航空工业学院金属材料及热处理专业，2007年毕业于哈尔滨工业大学材料工程专业获工程硕士学位，长期从事水轮机、水轮发电机和汽轮发电机材料的研发和应用工作，高级工程师。

审稿人：过 洁