铸态309L不锈钢的热变形行为及热加工图分析

2020-11-24宋耀辉李玉贵李华英

重型机械 2020年5期

宋耀辉，李玉贵，王顺，张健，李华英

(太原科技大学太原重型机械装备协同创新中心,山西太原 030024)

0 前言

不锈钢中铁素体的存在可提高奥氏体钢的温室强度和导热性，降低其线性膨胀系数和焊接热裂纹倾向，同时大大提高了其耐点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀磨损腐蚀性能等[1-4]。309L奥氏体不锈钢因其含有一定比例的铁素体，常作为不锈钢焊带，应用于冶金、石油化工行业的反应堆、压力容器的制造中，主要用于关键结构内壁过渡层堆焊及塔内构件焊接等[5-8]。在以往的研究中，针对309L不锈钢的研究主要集中在耐腐蚀性方面[9-10]和焊接性能方面[11-14]，对这种材料的热变形行为所做的工作很少。为了改善309L不锈钢的性能，必须了解钢的热变形行为，仔细设计热加工参数。

本研究采用铸态309L不锈钢板坯料，利用Gleeble-3800热模拟机，进行热压缩变形实验，分析其热变形行为，构建铸态309L不锈钢峰值应力下相应的本构方程；并依据相应的变形曲线，绘制本实验钢的热加工图。

1 实验过程

实验材料来自太钢自主研发冶炼的309L不锈钢铸坯，其化学成分见表1，309L不锈钢的热加工工艺如图1所示。为了能更好的结合生产实践，反映实际的热加工材料的变形过程，试样采用原始铸态组织，沿厚度方向切若干Φ10 mm×15 mm圆柱体。采用Gleeble-3800热模拟机对加工好的试样进行轴向等温热压缩试验。热压缩变形温度：900～1 100 ℃，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和10 s-1，真应变为0.92。在本实验中Q345试样在Gleeble-3800型热压缩模拟试验机，进行热压缩实验，试样以5 ℃/s的速度升温，加升温到1 230 ℃，保温3 min，均匀化组织；然后以5 ℃/s的速度降温，降到相应的变形温度进行压缩变形，热压缩完成后，水冷以保留热变形组织。

表1 309L不锈钢的主要化学成分(%)

图1 309L不锈钢的热加工工艺图

2 结果与讨论

2.1 应力应变曲线

通过Gleeble-3800热模拟试验机采集压缩过程中应力应变数据，然后通过Origin绘图软件对数据进行处理并绘制热压缩应力应变曲线。铸态309L不锈钢在不同变形温度和应变速率下的典型真应力应变曲线如图2所示。流动应力值随着应变速率的增加和温度的减小而增大。在塑性变形的开始阶段，位错快速增殖，组织产生硬化，使得材料的变形抗力显著增加，呈现加工硬化状态，此时应力快速增长，随后真应变达到一定值后，相应应力增大缓慢，曲线斜率减缓，此时流变压力曲线表现为动态回复特征。最后随着真应变继续的增加，流变曲线呈缓慢下降状态，这是由于金属内部组织发生相应的动态再结晶软化行为。当金属内部变形产生的动态软化与加工硬化达到平衡状态，流变应力曲线趋于水平。如温度1 100 ℃应变速率为0.01 s-1曲线为典型的再结晶曲线，即达到峰值应力后曲线缓慢下降至稳定状态，表明在该变形条件下存在DRX现象。

图2 铸态309L不锈钢不同变形工艺下的应力应变曲线

2.2 动态分析

(1)

(2)

(3)

对(1)、(2)、(3)两边分别取对数得

(4)

(5)

(6)

图3 309L不锈钢热变形峰值应力与应变速率、温度、参数Z的关系

金属材料在高温变形时，应变速率、变形温度、流动应力之间的关系可以通过Zener-Hollomon参数来表示

(7)

对式(7)取对数得

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(8)

将各参数带入式(8)，绘制ln[sinh(ασ)]与lnZ的关系曲线如图，并根据图3e得到lnA，最后求得A为5.38×1013。

将计算结果A、α、n和Q带入公式 (3)可以得出309L不锈钢的本构方程为

(9)

2.3 热加工图

热加工图的建立可以有效的预测金属材料热加工性能的好坏，是确定材料工艺参数的重要环节。通过对热加工图的绘制与分析，可以避免失稳区，并找到高消耗值的区域，从而为材料的加工性能提供参考[20-22]。

Prasad在原有模型的基础上进行进一步改良，提出了动态材料模型(DMM)。本论文采用DMM模型，绘制铸态309L不锈钢的热变形过程中的热加工图。在金属材料的热加工过程中，单位体积的金属材料从外界所吸收的总能量P转化为耗散协量J和耗散量G，其关系可表示为

(10)

敏感因子m可以表示消耗能量的多少

(11)

耗散因子η表示的是在热塑性过程中所用耗散协量占线性耗散协量的比值

(12)

根据热力学不可逆原理，流变失稳的判定依据为

(13)

根据不同温度下的各应变速率的η和采用三次B样条插值法拟合求出功率耗散因子及失稳因子，耦合叠加构成铸态309L不锈钢的热加工图，如图4所示。

图4 铸态309L不锈钢热加工图

图4为309L不锈钢在应变温度为900～1 100 ℃，应变速率为0.01～10 s-1的热加工图，等高线数值代表η%值，阴影区为ξ值为负值的不稳定区域。等值线上的高耗散值集中在右下角和右上角区域，因为这些区域预示着变形过程中微观组织转变消耗的能量越多，发生动态回复和动态再结晶的程度越高，加工后材料的性能越好。左侧阴影部分为流变失稳区，此区域为低温和高应变速率区，在此条件下容易出现局部变形，绝热剪切带，甚至扭折开裂等流变失稳现象。图4可以看出温度在900～920 ℃时，应变速率在0.1～10 s-1时容易发生失稳；当温度处于1 050～1 100 ℃、应变速率在0.01～0.05 s-1时和温度在1 030～1 100 ℃、应变速率在3.1～10 s-1时的能量耗散值较大，材料具有较好的工艺性能。因为耗散值大，容易发生动态再结晶，可以更好地抵消或消除加工硬化得到。因此当温度处于1 050～1 100 ℃、应变速率在0.01～0.05 s-1时和温度在1 030～1 100 ℃、应变速率在3.1～10 s-1时，309L不锈钢具有最佳的工艺，有良好的热加工性能。