23Cr-8Ni不锈钢热变形行为及热加工图

2023-08-22张宝伟黄冬张玉祥程彬刘智超陈权吴凤烨

金属加工(热加工) 2023年8期

张宝伟，黄冬，张玉祥，程彬，刘智超，陈权，吴凤烨

中国船舶集团有限公司第七二五研究所河南洛阳 471023

1 序言

23Cr-8Ni是一种高强、高氮奥氏体不锈钢，通过添加氮元素提高强度，屈服强度超过800MPa。该钢还在研制阶段，由于没有成熟热加工工艺，在小批量试制过程中，操作人员往往根据生产经验不断尝试、摸索[1]，常出现轧制开裂现象，严重影响了成材率，为了减少材料浪费，应建立该钢的热加工图。热加工图是由PRASAD等依据动态材料模型（DMM）相关理论提出来的，它能直观地反应不同变形条件下内部显微组织的演变规律，借此评估材料加工性能的优劣，制定和优化材料的热加工工艺[2，3]。本文进行了23Cr-8Ni不锈钢不同应变速率和不同温度下的等温压缩试验，研究了流动应力、微观组织与应变速率和温度的关系，建立23Cr-8Ni不锈钢的热加工图，为合理制定该钢的热加工工艺提供指导。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验材料为23Cr-8Ni不锈钢，在轧制后的钢板上取样，试样尺寸为φ10mm×15mm，如图1所示。该钢的基本力学性能见表1。

表1 23Cr-8Ni不锈钢基本力学性能

图1 热压缩试样

初始金相组织为孪晶奥氏体，平均晶粒度为6级，如图2所示。

图2 初始金相组织

2.2 试验方法

利用GLEEBLE3500热力模拟试验机进行压缩试验，试验温度分别为1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃和1250℃，应变速率分别为0.001/s、0.01/s、0.1/s、1/s和10/s，在压缩过程中保持温度和应变速率恒定。压缩前在试样两侧加石墨片和钽片，以减少摩擦对应力的影响，同时避免试样与砧子的高温黏结。试验时以10℃/s的升温速度加热到试验温度，保温5min，再以不同的应变速率进行压缩，最大真应变为0.7，压缩完成后快速将试样放入水中冷却。每个试验条件做一个试样，压缩后的试样沿轴向截面进行线切割，对截面进行抛光和腐蚀处理，然后进行金相组织观察。

3 试验结果

3.1 应力-应变曲线

不同压缩温度和应变速率下的应力-应变曲线如图3所示。从图3可看出，温度和应变速率对23Cr-8Ni不锈钢的真应力-真应变曲线影响显著，存在明显的应变速率强化现象和温度软化现象，真应力-真应变曲线能够显示流动应力与热动力学行为之间的内在关系。当应变速率为0.001/s、温度为1000℃和1050℃时，真应力迅速达到最大值，随着应变的增加，应力逐渐减少（见图3a），这是因为动态回复和动态再结晶引起的软化效应大于加工硬化效应。此时应变速率小（0.001/s），变形时间长，变形试样有充分的时间进行动态再结晶。在其他条件下，真实应力先逐渐增加，达到峰值应力后逐渐降低，说明峰值应力之前，加工硬化效应大于动态软化效应，峰值应力之后，动态软化效应大于加工硬化效应。

图3 不同应变速率和变形温度下的真应力-真应变曲线

3.2 微观组织

（1）温度对微观组织的影响 23Cr-8Ni不锈钢在不同压缩条件下的显微组织如图4所示。当＝0.1/s、T＝1000℃时，晶粒经过压缩变形后被压扁和破碎化，动态再结晶时通过形核和长大的方式消除形变基体中的位错及亚晶界等变形缺陷，再结晶晶粒在长大过程中还存在压缩变形，少数再结晶晶粒粗大并呈扁平状，由于温度较低，大部分晶粒细小（见图4a）；T＝1100℃时，随着温度的增加，晶粒尺寸长大，但随着持续压缩，大晶粒被压缩变得扁平，动态再结晶的驱动力一般是由金属的变形储存能提供，在大晶粒周围有细小的晶粒，形成具有“项链”特征的动态再结晶晶粒（见图4b）；当T＝1250℃时，由于温度升高，晶粒长大明显，大部分晶粒粗大（见图4c）。

图4 不同压缩条件下的显微组织

3.3 热加工图

真实应变为0.2～0.7时，23Cr-8Ni不锈钢的热加工图如图5所示。从图5可看出，热加工图中失稳区随应变量的增加而发生较大变化，即应变量对热加工图的影响较大。应变量为0.2、0.3时，失稳区在1000～1050℃、0.01～1/s的范围内，失稳区面积随着应变的增加而增加的不明显；在应变量为0.7时，出现了一个新的失稳区，即1250℃、10/s。在0.01～0.001/s的范围内没有出现失稳区，功率耗散因子较大。

图5 不同应变下的热加工图

3.4 特征区域微观组织

对应变量为0.7的热加工图进行分析，依据失稳区域和峰值功率耗散因子将应变量为0.7的热加工图分为3个部分。不同变形条件下的显微组织如图6所示。

图6 不同变形条件下的显微组织

第一部分为低应变区（下半部分），对应温度为1000～1250℃，应变速率为0.001～0.1/s，随着应变速率的升高，该区域的功率耗散因子从0.46降至0.31。从图6a、b可看出，由于应变速率低，变形时间长，有充分的时间进行再结晶，当温度为1000℃时，初始晶粒在塑性变形的作用下发生碎化和再结晶过程，最后成长为细小等轴晶粒，当温度为1100℃时，部分再结晶晶粒长大，变为大晶粒与细小晶粒并存的组织。

第二部分为低温高应变速率区域（左上角），对应温度为1000～1150℃，应变速率为1～10/s，随着应变速率的升高，该区域的功率耗散因子从0.24降至0.16。由于变形时间短，动态再结晶过程不能充分进行，在低温高应变速率下成形性能差，因此出现加工失稳现象。从图6c可看出，组织为大晶粒与细小晶粒并存，出现“混晶”现象，组织发生不完全再结晶，仍保留部分原始晶粒，可能造成失稳[6]。从图6d可看出，当温度从1000℃升高到1050℃时，组织仍然为大晶粒与细小晶粒并存，但大晶粒长的更加粗大。

第三个部分为高温高应变速率区域，对应温度1250℃、应变速率10/s，该区域功率耗散因子为0.27。从图6e可看出，组织为粗大的再结晶晶粒，在大晶粒周围有小晶粒，虽然压缩时间短，但是变形温度高，组织看不到压缩变形晶粒，说明已经完全再结晶，由于晶粒不均匀，出现“混晶”现象。