高温高应变率对06Cr19Ni10奥氏体不锈钢动态力学性能的影响

张继林，贾海深，易湘斌，窦建明，唐林虎，秦娟娟，徐创文

（1.兰州工业学院,甘肃省精密加工技术及装备工程研究中心,甘肃 兰州 730050；2.兰州工业学院,绿色切削加工技术及应用甘肃省高校重点实验室,甘肃 兰州 730050）

0 引言

奥氏体不锈钢广泛应用于军工、石油化工、生物工程等领域[1-5]，06Cr19Ni10 不锈钢是一种典型（铬-镍）不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性。随着科技的进步，对06Cr19Ni10 不锈钢零件的加工精度要求提高，其加工和使用受到高温和动态载荷作用，处于高温高应变状态，因此，在高温高应变率条件下对它的动态力学性能研究势在必行。

高温高应变率对力学性能影响的研究表明，随着应变率的增加，材料的应力增加，这种现象称为应变率强化效应；而随着温度的增加，材料的真实应力减少，这种现象称为温度软化效应[6-10]。到目前为止，对06Cr19Ni10 不锈钢的研究大多为高温准静态试验和室温动态试验，同时在高应变率耦合高温下的动态力学性研究较少，并且应变速率和温度对显微组织的研究也较少。张红等[11]人对某种不锈钢材料在温度20～800 ℃和应变率103～104s-1下，得到材料在不同温度和应变率耦合作用下的真实应力-应变曲线。许泽建等[12]人报道了0Crl8Nil0Ti 焊接头的母材和焊缝在25～600 ℃温度和200～3 800 s-1应变率下的力学性能。尚兵等[13]人研究了0CrlTMn5Ni4M03Al 不锈钢在3 种应变率(300、1 000、2 700 s-1)和4 种环境温度(25、300、500、700 ℃)下的应力应变关系。何著等[14]人测定了0Crl7Ni4Cu4Nb 不锈钢在多种应变率下的动态应力-应变关系。魏玉伟等[15]人研究了马氏体含量对1Cr17Ni1 双相不锈钢动态和准静态力学性能的影响。然而，上述文献未对高温高应变率耦合下的动态力学性能进行研究，也未结合微观组织进行分析研究，为此高温高应变率耦合下研究材料动态力学性能和微观组织显得更为重要。

笔者利用高温分离式霍普金森动态试验装置，测试了06Cr19Ni10 不锈钢在高温和高应变率下的动态力学性能，得到了真实的应力-应变曲线，研究了不同应变速率和不同温度对其动态力学性能和显微组织的影响（3 000 s-1）。此研究能够补充06Cr19Ni10 不锈钢的力学性能，可以为后续建立本构方程和进行数值模拟提供理论依据。

1 试验材料及过程

试验材料是从市场上购买张家港浦项不锈钢有限公司生产的30 mm 厚不锈钢06Cr19Ni10 板材，除Fe 以外的主要化学成分如表1 所示。

表1 06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢主要化学成分Table 1 Main chemical compositions of 06Cr19Ni10 stainless steel%

试验前材料经过1 050 ℃加热+保温30 min+空冷的固溶处理后，首先采用线切割方式将材料加工成Ø3 mm×3 mm 圆柱试样，保证试样端面与圆柱面的垂直度，然后用碳化硅研磨纸抛光试样的两个端面，保证表面粗糙度Ra≤1.6 μm。

采用高温分离式霍普金森动态试验装置进行不同温度和不同应变率下的冲击试验，实现四种温度（25、100、200、300 ℃）和五种平均应变速率（1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 s-1）下的动态加载，试验用子弹长度100 mm，压杆直径为8 mm。为了减少试验的误差，冲击试样载荷面添加润滑剂，同时每种条件下进行三次试验取平均值，得到真实的应力应变关系曲线。冲击试验结束后，沿轴线切割回收试样，研磨、抛光后制作成显微样本，使用FeCl3（5 g）+HNO3（50 mL）+H2O（100 mL）混合溶液腐蚀1 min 左右，清洗、干燥之后采用FEI Inspect F50 扫描电子显微镜对应变率为3 000 s-1的变形后试样进行显微组织观察。

2 试验结果与分析

2.1 真应力-真应变曲线

不同应变率下的真应力-真应变曲线分别如图1所示。可以看出，在任意一种应变率下，随着温度的增加，真应力-真应变曲线呈现下降趋势，这是由于随着温度的升高，热激活作用逐渐增强，原子动能也逐渐增大，原子间的结合力逐渐减弱，位错滑移的临界切应力降低，材料的变形抗力降低。同时，随着温度的升高，材料动态再结晶的形核率增大，使晶核长大的驱动力增加，进而使动态再结晶软化作用增强。在任意一种温度下，随着应变率的增加，真应力-真应变曲线呈现上升趋势，这是由于应变速率增加，材料的临界剪切应力增大，在相同的应变率下变形机制具有可比性。应力值达到峰之前，在相同温度和应变率条件下，应力随应变的增加而增大，这是由于在高的应变下，位错密度增加。在整个变形范围内，真应力随着应变的增加而增加，表明应变率起主要作用，温度起次要作用。进一步得知，该材料具有应变率强化效应和温度软化效应。此外，最大应变随着温度和应变率的增加而增加，应变率从1 000 s-1增加到1 500 s-1时，最大应变增幅较明显，其余阶段有增加但不明显。应变率从1 000～1 500 s-1、1 500～ 2 000 s-1、2 000～ 2 500 s-1、2 500～3 000 s-1，应变的最小值依次增加0.086 32、0.075 97、0.023 3、0.022，呈逐渐减少的趋势；最大值依次增加0.131 1、0.067 49、0.035 54、0.027 89，也呈现逐渐减少的趋势。进一步观察，在同一应变率下，弹性变形阶段内斜率随着温度的增加而减小，表现为屈服强度降低。同时，在同一应变率下，当温度为25 ℃时，塑性变形阶段的斜率最大，表明应变硬化效应明显。

图1 06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢在不同应变率下的真应力-真应变曲线Fig.1 The true stress-strain curves of 06Cr19Ni10austeniti c stainless steel deformed in different strain rates

2.2 温度对真应力的影响

不同应变率下，温度和应变率的关系如图2 所示。从图2 可知，在任意应变率下，随着温度的增加，应力呈现出降低趋势，表现出温度软化效应，特对应力峰值和屈服强度（弹性变形拟合直线与塑性变形拟合直线的交点）进行论述。在不同应变率下，峰值应力和屈服强度随温度的关系如图3 所示。如图3(a)所示，峰值应力随着温度的增加而减少，温度从25 ℃增加到300 ℃时，应变率为1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 s-1的峰值应力降幅分别是190.332、267.189、332.846、399.271、370.860 MPa，降幅程度不同，先逐渐变大后减小；如图3(b)所示，屈服强度随着温度的增加而减少，温度从25 ℃增加到300 ℃时，应变率为1 000、1 500、2000、2 500、3 000 s-1的屈服强度降幅分别是195.016、217.825、231.459、233.66、210.917 MPa，降幅程度与峰值应力有相似趋势。

图2 一定应变率下真实应力与温度的关系Fig.2 Relationship between true stress and temperature under a certain strain

图3 （a）峰值应力与温度的关系；（b）屈服强度与温度的关系Fig.3 (a) The relationship between peak stress and temperature;(b) The relationship between yield strength and temperature

2.3 应变率对真应力的影响

对图1 的数据进行再处理，得到同一温度下不同应变率的真应力-真应变关系曲线，如图4 所示。在塑性变形范围内，当温度一定时，真应力随着应变率的增加而增加，具有应变率强化效应，但强化的程度不同。为了更加清楚的阐述应变率对真应力的影响，当应变为0.1 时，绘制不同温度下的真应力-应变率曲线，如图5 所示。当应变从1 000 s-1增加到3 000 s-1时，在温度25、100、200、300 ℃下，真应力分别增加212.307、235.612、169.713、169.530 MPa。在高应变率下，应变率对真应力的影响程度明显，可能由于较多的位错产生。当温度从25 ℃增加到100 ℃时，在应变率为1 000、1 500、2000、2 500、3 000

图4 06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢在一定温度下不同应变率的真实应力-真应变关系的比较Fig.4 Comparison of the true strain-stress relationships of 06Cr19Ni10 austenitic stainless steel at different strain rates and fixed deformation temperatures

图5 不同温度下ε=0.1 时真实应力与应变率的关系Fig.5 The relationship between true stress and strain rate at ε=0.1 at different temperatures

s-1下，真应力分别降低219.067、246.220、318.850、305.899、261.844 MPa。进一步得知，应变率对真应力的影响程度弱于温度。比如，温度25 ℃应变率1 000 s-1的真应力大于温度300 ℃应变率3 000 s-1。这是应变率硬化和热软化效应之间竞争的结果，这种竞争主导了整个变形过程。

2.4 显微组织观察

应变率强化使材料塑性变形量增加，位错密度不断增加，位错间的交互作用也不断增强，使变形抗力增加；同时晶粒变形、破碎形成亚晶粒和亚晶界，亚晶界阻止位错运动，使材料的强度和硬度提高[16-22]。随着温度的增加，位错在变形过程中通过一定的方式运动，使部分位错相互抵消，导致变形带密度降低，从而真应力随着温度的增加而降低，表现为温度软化效应。变形带有变形孪晶、层错和位错组成。变形带中变形孪晶[23-26]占绝大数，对形变起增强作用。形变孪晶开始于晶界，并向晶粒内部生长，分裂晶粒。

一般情况下，奥氏体不锈钢变形带密度随着温度的增加而减少，随着应变率的增加而增加，低应变率下孪晶相互平行，高应变率下孪晶交织在一起[23,26]。当应变率为3 000 s-1时，在温度25、100、200、300 ℃下变形后的显微组织如图6 所示。图6中可以看出存在变形带，呈现出交错的现象，阻碍位错滑移，位错堆积，变形带密度增加，导致应变率强化。图6(a)至(h)有些孪晶相互平行，有些孪晶相互交织，交织的占大多数，变形带密度依次递减，使真应力应变曲线随着温度增加，向下移动，与试验曲线吻合。这正是由于随着温度的升高，热激活作用增强，原子动能增大，原子间的结合力减弱，位错滑移的临界切应力降低，材料的变形抗力降低。同时，材料动态再结晶的形核率增大，使晶核长大的驱动力增加，使动态再结晶软化作用增强。

图6 06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢在应变率3 000 s−1 下不同温度变形后的微观组织Fig.6 Microstructures of 06Cr19Ni10 austenitic stainless steel after deformation at different temperatures and a strain

3 结论

1）在应变率1 000、1 500、2000、2 500、3 000 s-1下，随着温度的增加，真应力减小，但减小的幅度不相同，峰值的应变增加，06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢表现出明显的温度软化效应。

2）在温度25、100、200、300 ℃下，随着应变率的增加，真应力增加，增加的幅度不同，06Cr19Ni10奥氏体不锈钢表现出明显的应变率强化效应。

3）温度软化效应和应变率强化效应与变形带密度大小有关，高应变率下，变形带密度大，随着变形温度的增加变形带密度降低，这与试验应力的增减相吻合。

4）研究了06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢在高温高应变率下的动态力学性能和微观组织，今后可以利用试验数据建立此材料的本构方程，为数值模拟提供理论依据。