P550奥氏体不锈钢的热变形行为研究

敖 影 周灿栋

（宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 200940）

P550奥氏体不锈钢的热变形行为研究

敖 影 周灿栋

（宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 200940）

利用Thermecmastor-Z热模拟试验机对P550奥氏体不锈钢进行了高温热压缩试验，研究该钢在850～1 150℃、应变速率0.1～20 s－1条件下的热变形行为。结果表明：P550不锈钢的流变应力随着变形温度的降低和应变速率的提高而增大；随着变形温度的升高和应变速率的增加，高温铁素体的数量减少、尺寸减小，发生动态再结晶的晶粒数量增多；计算获得该钢种的热变形方程为＝5.5e30［sinh（0.004 3σ）］12.38exp（－794／RT）；依据热加工图得出该钢种热加工的流变失稳区为：T＝900～1 100℃，＝0.1～1 s－1，该区域为不均匀塑性变形区，在热加工过程中应予以避免。

P550钢 热变形 再结晶 热加工图

目前国内外主要使用Cr-Mn-Ni-N系列高氮奥氏体不锈钢作为钻铤用材。高N奥氏体不锈钢P550以其优良的强韧性、超低的磁导率和极佳的抗腐蚀性能成为石油开采行业钻铤、钻具的首选之材。P550不锈钢的生产工序为：电炉炼钢→电渣重熔→快锻开坯→坯料精整→径锻成材。由于钢中含有大量的合金元素，P550钢的热加工窗口非常窄，锻造过程易出现组织不均匀、混晶等而造成材料脆性大易产生裂纹的问题［1］。因此，需要通过合理的热加工工艺试验来摸索适当的参数，进而控制锻态材料的晶粒尺寸和保证材料力学性能［2］，而目前对该材料热加工方面的研究报道较少。基于上述考虑，亟需研究P550钢的热变形行为及组织演变规律，为铸锭开坯和锻造工艺提供指导。

1 试验材料和方法

试验所用P550奥氏体不锈钢取自生产线锻造开坯固溶后，材料的化学成分见表1。热压缩试样尺寸φ8 mm×12 mm，在Thermecmastor-Z热模拟试验机上进行单道次压缩试验，单道次压缩的工艺参数如表2所示。将试样以10℃／s的速率加热到T0＝1 200℃保温10 min后，再以10℃／s的速率冷却到变形温度保温1 min后进行压缩变形。热变形完成后立即喷氩气冷却，以保留高温变形组织。变形后的试样采用线切割的方法沿压缩轴方向对剖，经磨抛后用王水腐蚀液侵蚀，并在金相显微镜下观察腐蚀后的组织。

2 试验结果与分析

表1 P550钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of P550 steel（mass fraction） %

表2 单道次压缩变形工艺参数Table 2 Parameters of single-pass compression experiments

2.1 真应力-真应变曲线

流变曲线中应力随应变的变化在一定程度上反映了变形材料组织的变化规律［3］。不同温度和应变速率下的真应力－真应变曲线如图1所示。从图中可以看出，当应变速率小于1 s－1时，流变应力在热压缩的初始阶段随应变的增加迅速增大，呈现出加工硬化的特性；当流变应力大于某一应力值后，流变应力的增速降低并逐渐趋于平稳，呈现动态回复的特性；随着真应变的不断增加，流变应力又开始逐渐增加，再次出现加工硬化，且硬化效果与变形温度成反比。当应变速率高于10 s－1时，加工硬化阶段和动态回复阶段与前述表现一致，只是随着真应变的增大，流变应力达到峰值应力后会逐渐趋于稳定或有所下降，这是显微组织发生动态再结晶软化过程的一种表现，且软化效果与变形温度成正比。综上所述，P550奥氏体不锈钢在热加工过程中对应变速率非常敏感，应变速率和温度越高，动态软化效果越明显。

图1 P550奥氏体不锈钢的单道次压缩真应力-真应变曲线Fig.1 True stress-true strain curves of P550 austenitic stainless steel during single-pass compression deformation

图2所示为不同温度和应变速率下热变形微观组织。从图中可以看出，相同应变速率下，变形温度越高，越容易发生动态再结晶。当应变速率低于1 s－1时，组织中变形γ晶粒数量较多，且只能在γ／高温δ相界处观察到部分细小的再结晶晶粒，形成“项链组织”，该组织是流变失稳的一种表现［4］；当应变速率大于10 s－1、且变形温度较高时，变形γ晶粒数量减少，动态再结晶较完全，获得了理想的组织。

2.2 热变形方程

图2 P550奥氏体不锈钢单道次压缩后的显微组织Fig.2 Microstructures of P550 austenitic stainless steel after single-pass compression deformation

从以上对真应力-真应变曲线的定性分析可知，变形温度和应变速率对动态再结晶行为的影响较大，特别是对流变应力的影响很大，而这种影响可以通过Z（Zener-Hollomon）参数来定量描述。

通常，根据流变应力的高低，流变应力、应变速率和温度T之间的函数关系不同。当应力比较低时（一般指小于80 MPa），函数的表达式如式（2）所示，呈现幂指数关系；当应力相对较高时（一般指大于120 MPa）则采用式（3），呈现出指数关系。除此以外，还有一种呈现双曲正弦规律的表达式如式（4），它对流变应力的高低没有限制，并且适用于多种材料。这个函数式是由Sellars与Tegart［5］提出的，被称为Arrhenius本构模型。

式中，A′、A″、A、β、α均为材料常数，n、n′为应力指数。其中β、α和n′这三个常数间存在一定关系，α≈β／n′，本文流变应力采用峰值应力。为了计算不同变形条件下的Z参数值，准确计算试验钢的Q值非常关键。本文通过Arrhenius本构方程来计算Q值。首先对式（4）等号两边同时取自然对数得：

采用同样的线性拟合方法可以计算得到n值与Q值，图4（a）为不同变形温度下ln与ln［sinh（ασp）］之间的关系，对拟合直线斜率求平均值得n＝12.38。图4（b）为不同应变速率下ln［sinh（ασp）］

经转变，则Q值可以通过式（6）计算：与1／T之间的关系，求得平均斜率后，通过式（6）获得试验钢在所设定变形区间的热变形激活能Q＝794 kJ／mol。将Q值代入式（1）求出Z值，绘出ln［sinh（ασp）］与ln Z之间的关系曲线如图5所示，经过一次函数拟合回归，求得材料常数A＝5.5e30s－1。可以看出ln［sinh（ασp）］与lnZ之间呈现出良好的线性关系，随着Z值的增大，试验钢的热变形峰值应力也相应提高，Z参数综合描述了在一定变形温度及变形速率条件下P550钢的热变形行为。Z值越小，位错和晶界的迁移性越高，变形过程中动态再结晶倾向越大，动态再结晶组织发展越充分，对应图2中变形温度1 150℃、变形速率大于10 s－1的组织。反之，Z值越大，动态再结晶驱动力越小，直至完全不发生动态再结晶，因而对应较大的Z值时，即变形温度900℃、应变速率为0.1～20 s－1时，晶粒畸变严重（见图2）。

图3 β值与n′值的确定方法Fig.3 Determination ofβand n′values

图4 n值与Q值的确定方法Fig.4 Determination of n and Q values

图5 P550钢的峰值应力与Z参数之间的关系Fig.5 Relationship between peak stress and Z parameter of P550 steel

综上所述，可以得到P550钢在应变速率0.1～20 s－1、变形温度900～1 150℃条件下的热变形方程和Z参数表达式为：

2.3 热加工图

热加工图能够反映在各种变形温度和应变速率下材料高温变形时内部微观组织的变化，并且可对材料的可加工性进行评估［5］。根据DMM理论［6］，变形体的能量耗散由两部分组成，可用式（9）表示：

式中，P为热加工过程中的单位体积所吸收的总能量，可分为两部分；G为塑性变形产生的粘塑性热；J是变形过程中因组织演化而耗散的能量，如动态回复、动态再结晶、相变等有关的功率耗散。这两种能量所占比例由材料的应变速率敏感指数m决定，即：

通常把J／Jmax定义为功率耗散率，其数学表达式为：

在一定的应变下，将功率耗散率对温度和应变速率作图，可得到功率耗散率的等值曲线图，叫做功率耗散图。现基于Prasad热加工失稳判据［7］：

建立流变失稳图，满足该判据时材料可能发生流变失稳。将功率耗散图与失稳图叠加，即可得到合金高温塑性变形加工图。

根据上述原理，建立P550奥氏体不锈钢的热加工图，如图6所示。图中等值线上的数字代表功率耗散率，深色区域为流变失稳区。由图6可见，当变形温度高于1 050℃时，功率耗散率随着应变速率的降低而升高；当变形温度低于1 050℃时，功率耗散率随着应变速率的增大而增大。因此流变失稳区为：T＝900～1 100℃，＝0.1～1 s－1，结合图2中900℃、0.1～1 s－1条件下的显微组织可以看出，该区域为不均匀塑性变形区，在热加工过程中应予以避免。

3 结论

（1）单道次热压缩试验中，当应变速率大于10 s－1且变形温度较高时，流变应力达到峰值应力后会逐渐趋于稳定或有所下降，微观组织上，变形γ晶粒数量减少，动态再结晶较完全，获得了理想的组织。（2）试验P550奥氏体不锈钢的热变形激活能为794 kJ／mol，热变形方程为：＝5.5e30［sinh

图6 真应变为0.7时P550奥氏体不锈钢的热加工图Fig.6 Hot processing map of P550 austenitic stainless steel obtained at true strain of 0.7

（3）结合P550钢的热加工图和显微组织分析可知，在流变失稳区（T＝900～1 100℃，＝0.1～1 s－1）的微观组织表现为局部变形带和“项链组织”，该区域的变形为不均匀塑性变形，在热加工过程中应予以避免。

［1］邹章雄.新型无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢的研究［D］.云南：云南大学，2013.

［2］屈华鹏，郎宇平，陈海涛.无磁钻铤用高氮不锈钢的研究和发展［J］.热加工工艺，2014，43（24）：17-18.

［3］刘荣.904L超级奥氏体不锈钢的热变形行为及组织演变规律［D］.西安：西安建筑科技大学，2014.

［4］马晓然，曾龙，胡侨丹，等.铸态12%Cr马氏体不锈钢的热变形行为与热加工图［J］.热加工工艺，2014，43（23）：17-20.

［5］SELLARSCM.Modeling an interdisciplinary activity［C］／／Yue S.Proceedings of the International Conference on Mathematical Modelling of Hot Rolling of Steel，CIMM，Hamilton，1990：1-18.

［6］TONDINI F，BOSETTI P，BRUSCHI S.An experimentalnumerical procedure to identify heat transfer coefficient in hot stamping processes［C］／／Proceedings of EUROMECH，Lisboa，2009：1-7.

［7］ABDULHAY B，BOUROUGA B，DESSAIN C，et al.Experimental study of heat transfer in hot stamping process［J］.International Journal of Material Forming，2009，2（1）：255-257.

收修改稿日期：2016-07-08

Thermal Deformation Behavior of P550 Austentic Stainless Steel

Ao Ying Zhou Candong
（Research Institute，Baoshan Iron＆Steel Co.，Ltd.，Shanghai200940，China）

Thermal deformation characteristics of P550 austenitic stainless steel were studied by hot compression test at the deformation temperature between 850℃and 1 150℃with the strain rate from 0.1 s－1to 20 s－1by using the Thermecmastor-Z thermal simulation test machine.The results showed that the flow stress of P550 stainless steel increased with the decrease of deformation temperature and the increase of strain rate.With the increasing of deformation temperature and strain rate，the amountand size of high temperature ferrite decreased and the amountof dynamic recrystallization grains increased.Its hot deformation equation was calculated as＝5.5e30［sinh（0.004 3σ）］12.38exp（－794／RT）.The instable zonesof flow behavior could be recognized as temperaturesbetween 900℃and 1 100℃with the strain rate from 0.1 s－1to1 s－1according to the hot processingmaps.This zonewas the non-uniform plastic deformation area，which should be avoided in hotworking process.

P550 steel，thermal deformation，recrystallization，hot processingmap

敖影，女，助理工程师，主要从事含氮奥氏体不锈钢的研发，Email：aoying＠baosteel.com