2205/Q345热压缩复合热变形行为的研究

王 顺，李玉贵，宋耀辉，张 健，赵广辉

(太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024)

0 前言

双相不锈钢不仅具备良好的韧性，而且还具有更高的强度和耐腐蚀性能。因此，双相不锈钢比奥氏体和铁素体不锈钢更具优势。全球在各种行业中对双相不锈钢的需求也在不断增长，广泛应用到了石化、海洋、造纸、核能和发电等领域[1-5]。

陈治毓等通过实验研究建立本构方程热加工图，分析了2205双相不锈钢高温热变形行为，以及实验钢的热加工工艺[6];毕宗岳等采用爆炸复合技术，对2205双相不锈钢与碳钢Q235进行爆炸复合，制备出大面积双相不锈钢复合板，实现了冶金结合[7];舒先进等对00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，进行了热变形和加工性能分析[8];吴腾等研究了终轧温度对热轧双相钢组织与性能的影响，赵培林等研究了轧后冷却对DP590热轧双相钢组织及性能的影响[9,10];陈雷等采用热力模拟试验研究了2205双相不锈钢的热变形行为，分析相应的组织演变规律[11];孙祺等人研究了2205双相不锈钢中析出相，并对其相应的点蚀与耐腐蚀的作用规律展开分析[12]；张继祥等研究了2205双相不锈钢中温变形行为，对实验钢变形抗力的影响因素进行的分析探讨[13];李殊霞等研究了σ相在2205双相不锈钢中的析出行为，并对其产生的规律开展探讨[14];邢珊珊等开展了2205双相不锈钢进行固溶处理实验，并对不同温度下的固溶处理影响规律，进行利用定量金相法及硬度法、电化学极化试验、电化学阻抗谱试验的方法研究固溶温度与2205双相不锈钢微观组织和钝化膜特性之间的关系[15];刘燕平等研究了2205-Q345R爆炸复合板性能实验研究，重点分析了热处理工艺对组织性能的影响[16]；金贺荣、韩民峰应用MSC. Marc软件建立不锈钢316L/微合金钢EH40复合样件热压缩成形的三维热力耦合有限元模型，对复合样件的热压缩过程进行仿真研究[17]；为探究2205双相不锈钢/Q345碳钢复合板热轧复合工艺，本文采用热模拟法对2205双相钢和Q345碳钢的高温热变形行为进行系统研究，系统的研究不同温度及应变速率下2205/Q345热压缩复合热变形行为以及界面微观组织演变规律。以期为2205双相不锈钢复合板的复合工艺工艺优化提供理论依据。

1 实验的材料与方法

利用gleeble-3800热模拟机对直径10 mm、高度15 mm的2205、Q345小圆柱进行了叠加对压复合试验。试样以5 ℃/s的，升温速度，加升温到1 230 ℃，保温2 min，均匀化组织；然后以5 ℃/s的降温速度，降到相应的变形温度，并保温30 s，然后进行热压缩复合变形。变形温度T为850～1100 ℃，间隔50 ℃；变形温度压缩速率分别为0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，真应变为0.92。热压缩复合完成后，水冷以保留热变形组织。

高温压缩后的试样，切开后的一半试样用于制备金相，取热变形试样的横截面，对试样进行打磨，抛光，然后用4%的硝酸酒精溶液，进行金相腐蚀；最后采用扫描电镜分析复合界面组织。

2 宏观结构

图1显示了2205/Q345热压缩复合后的宏观变形结构。从不同温度进行分析可以看出，在低温下(850～950 ℃)两种试样变形行为差距较大，其中Q345的变形量明显大于2205，而达到1 000 ℃后，随着温度增加两种材料变形行为趋于相近。从不同变形速率分析可以看出，随着变形速率的增大，材料的变形越来越不规则，这是因为随着速率的升高，材料来不及均匀协调变形导致。同时从图1，分析可知，在变形温度为1 050 ℃，变形速率为1～10 s-1时，2205/Q345变形行为最趋于相近。

图1 热压缩复合试验宏观结构示意图

3 应力应变曲线

图2所示为2205/Q345热压缩复合试验在850～1100 ℃温度范围内和0.01～10 s-1的应变速率下真应力-应变曲线。从2205/Q345热压缩复合应力-应变曲线上可看出，在压缩复合变形初期，流变应力随着应变的增加而迅速增大，快速增加过后，流变应力开始缓慢增加，直到达到峰值应力。随后，流变应力趋于下降或保持稳定状态。不同的是，热压缩复合的应力峰值高于2205双相钢但低于Q345碳钢。

图2 不同条件下的流变应力曲线

4 动力学分析

流变应力方程可以定量分析材料在热变形过程中，各个变形条件之间相应的内在关系，在热变形中，应变速率与流变应力呈现如下三种关系[20-22]。

(1)

(2)

(3)

方程(1)为幂函数型方程，一般应用于具有低应力水平的材料，对于高应力水平的材料应用指数型方程(2)，而Arrhenius双曲正弦方程(3)却能够同时兼顾方程(1)、(2)两种情况，更好地适用于大部分常规热变情况，因此本文采用双曲线方程(3)来建立2205/Q345热压缩复合的本构关系。

流变应力σ、应变速率和变形温度T的关系为

(4)

式中，Z为Zener-Hollomon 参数，即温度补偿的应变速率因子。

对式(1)和式(2)两边分别取对数得到

(5)

(6)

图3 不同温度条件下的线性关系

对式(3)两边分别取对数整理可得

(7)

当变形速率为定值时，设变形激活能Q不变，对式(3)取对数，整理得

(8)

得到不同变形条件下2205/Q345热压缩复合ln[sinh(ασ)]-1/T线性关系如图4b所示，求出其斜率的平均值为Q/nR=9463.03803

对式(4)两边同时取对数可得

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(9)

将不同温度下的变形速率和热变形激活能Q代入式(4)，计算Z值。绘制拟合曲线，图5c所示。

将以上所求的的参数带入(3)，得到2205双相钢/Q345碳钢热压缩复合的本构方程(10)，即

(10)

4 微观组织分析

图5所示为放大1 000倍时温度分别为850 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃时在0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1四种不同应变速率下2205-Q345热压缩复合试样大变形区域界面的SEM微观结构，界面下侧是Q345，图中可以看出，随着变形速率的增大，界面的间隙先变小后变大，在应变速率为0.1～1 s-1，界面平直，结合效果相对较好。而随着温度的增加，界面越来越明显，尤其在1 050 ℃时界面清晰平直，复合效果好。

图5 1000倍扫描电镜大变形区域复合界面金相图

从图5中均可看出，Q345组织中晶粒的平均尺寸随温度的升高而增加。在1 000 ℃至1 050 ℃的温度范围内，晶粒尺寸的变化程度比在850 ℃至1 000 ℃的温度范围内更为明显。通常，组织中晶粒的平均尺寸随着应变速率的增加而减小，但是当在应变率1～10 s-1进行实验时，晶粒的平均尺寸随着应变率的增加而增大，微观结构协调程度下降。在0.01 s-1至1 s-1的应变速率范围内，晶粒尺寸逐渐均匀增大，但变化程度不如在1 s-1至10 s-1的应变速率范围内晶粒尺寸的变化程明显。

从5图中可以看出，在850 ℃的低温下界面相对不平整，而在1 000 ℃和1 050 ℃时则不会出现界面不平直现象。结果表明，在相对较低的温度下更不容易发生复合。综上所述，发现在应变速率为1～10 s-1，温度为1 050～1 100 ℃时热压缩复合效果相对较好。

5 结论