J4節鎳奧氏體不銹鋼動態再結晶行為的研究

魏新鵬

（福建吳航不銹鋼制品有限公司，福建 福州 350200）

J4節鎳奧氏體不銹鋼動態再結晶行為的研究

魏新鵬

（福建吳航不銹鋼制品有限公司，福建 福州 350200）

通過在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上進行等溫壓縮試驗，研究了變形工藝參數對節鎳奧氏體不銹鋼J4動態再結晶行為的影響。結果表明，應變率越小、變形溫度越高、應變量越大，J4鋼越易發生動態再結晶。J4 鋼在ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃時，將發生動態再結晶。在ε˙=0.1s-1、T=950℃～1200℃時，只能發生動態回復。其動態再結晶峰值應變εp≥0.12、穩態應變εs≥0.4。

材料實驗；動態再結晶；不銹鋼；研究

1 引言

節鎳奧氏體不銹鋼以錳和氮代替部分鎳，可以降低生產成本，同時又具有不銹鋼的特點，因而得到業界的青睞。加入錳和氮的不銹鋼性能與常規的Cr-Ni型奧氏體不銹鋼相比有一定的差異[1]，在熱連軋過程中金屬將發生位錯增殖引起的加工硬化和動態回復或動態再結晶帶來的軟化兩個矛盾過程。這兩個過程也是影響產品組織性能、質量和熱軋工藝的關鍵因素。然而，這兩個過程會隨應變量、應變速率、軋制溫度的不同而發生主次的轉化[2，3]。本文以節鎳奧氏體不銹鋼J4鋼為研究對象，利用單道次壓縮實驗，對其在熱變形過程中的動態再結晶行為進行了研究，為該類鋼的組織與性能預報和產品質量控制提供理論依據。

2 實驗材料與方法

實驗選用節鎳奧氏體不銹鋼——J4鋼，材料從熱連軋鋼帶用的連鑄坯料上截取，加工成?8mm×12mm壓縮試樣。材料化學成分見表1。

表1 實驗用鋼的化學成分（%，質量分數）

實驗在GLEEBLE-1500D熱模擬試驗機上進行等溫壓縮變形，實驗條件選用：變形溫度1250℃、1200℃、1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃，應變速率 0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1，真應變 0～0.9。試樣在真空下以10℃/s的速度加熱至1200℃，保溫3min，然后以5℃/s的速度降溫至變形溫度并保溫30s，最后在變形溫度下壓縮。試樣變形結束后迅速淬火以保留變形結束瞬間的再結晶組織，然后將試樣沿軸向切開、磨拋、腐蝕后對試樣中部進行金相分析。

3 實驗結果與分析

3.1 應力—應變曲線

節鎳奧氏體不銹鋼J4在不同溫度和應變速率下的應力—應變曲線如圖1所示。曲線表現出動態回復和動態再結晶兩種不同的類型。圖1a、b所示，曲線逐漸增大，達到峰值后開始下降，然后保持穩定。圖2描述了該過程中金相組織的演變歷程。圖2a顯示：變形初期，晶粒被拉長但大小不變，說明此時僅發生位錯增值能量累積的加工硬化而沒有發生動態再結晶，故應力隨應變幾乎線性增大。圖2b顯示，當應變量達到一定值（臨界應變εc，實踐中常用應力達到峰值時的應變峰值應變 εp代替 εc，εc?0.65εp）后發生了動態再結晶[4]。動態再結晶引起位錯的消減，加工硬化被削弱，應力隨應變增長速度變緩。圖2c顯示，當應變量增大到穩態應變εs時，金屬內發生了完全動態再結晶，此時動態再結晶引起的位錯消減速度等于變形帶來的位錯增值速度，金屬內部處于動態平衡的結晶穩態，因此，應力不再隨應變增大而是穩定在一定水平。圖1a、b顯現了典型的動態再結晶型應力—應變曲線特征。從圖中可以看出，ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃的變形條件下，J4鋼將發生動態再結晶。與此相區別，圖1c中當ε˙=0.1s-1，溫度 T=950℃～1200℃時，曲線線性的增大到一定值后逐漸保持穩定。這是因為：變形初期，同樣主要發生位錯增值累積能量的加工硬化，當能量累積到一定值后僅誘發了動態回復，因變形帶來的位錯增值速度與動態回復引起的位錯消減速度相等，應力—應變曲線就穩定在一定值，即動態回復型曲線。由于動態回復引起的位錯消減速度低于動態再結晶時，所以，應力—應變曲線逐漸增大到最大值后沒有下降的階段，即穩定在一定值。

從上述分析知，動態回復與再結晶只有在金屬發生一定變形并儲存足夠能量后才會發生，而這一變形量又隨應變速率和溫度的不同而異。

3.2 應變率和應變量對動態再結晶的影響

圖3是1250℃時不同應變率下隨應變量的增加動態再結晶分數的變化曲線。由圖可見，同一溫度和應變率下應變—動態再結晶分數曲線呈S型：應變較小時動態再結晶分數亦較小；應變增到到某一數值后動態再結晶分數迅速增大，最后穩定在最大值。動態再結晶分數開始快速增大和剛到最大值時對應的應變即分別為前述的臨界應變εc和穩態應變εs。比較不同應變率下的三條曲線發現：應變率越小，動態再結晶臨界應變εc和穩態應變εs亦較小，表明應變率越小越易發生動態再結晶；此外，應變率越小上升階段曲線也越“平緩”，這是因為低應變率下，發生動態再結晶的同時金屬內部亦有足夠的時間更多的通過動態回復釋放變形能[5]。這些現象說明，要想誘發動態再結晶,必須使金屬產生足量變形，對 J4 鋼來說，其臨界應變 εc＞0.12，穩態應變 εs＞0.4。

3.3 應變率和溫度對動態再結晶的影響

溫度是影響動態再結晶發生與否的決定因素之一，它主要通過影響原子擴散速度和提供擴散激活能來影響動態再結晶。而原子擴散是時間的函數，即受變形速度的影響。為綜合反映溫度和應變率的作用，引入溫度補償應變率Zenner-Hollomon參數，其定義見式（1）[6]：

式中：Qdef——動態再結晶激活能（對確定材料為一常數）；

R——氣體常數；

T——溫度。

圖4是Z參數隨應變變化而劃分的動態再結晶區域圖，該圖同樣應證了臨界應變εc和穩態應變εs的存在。此外，從圖中可見：要使動態再結晶易發生，即在較小的臨界應變εc和穩態應變εs下發生，Z參數值也應越小（lnZ越小）。對一確定的Z值，要想Z值小，ε˙較小時，T 亦可較小；ε˙較大時，T 必須較大。這說明，低應變率時，可以在較低溫度下誘發動態再結晶；而高應變率時，只有在較高溫度下才能誘發動態再結晶。

4 結論

（1）節鎳奧氏體不銹鋼 J4 鋼在ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃時，將發生動態再結晶；而當ε˙=0.1s-1，溫度 T=950℃～1200℃時，只能發生動態回復。

（2）J4鋼發生動態再結晶的峰值應變和穩態應變分別為：εp≥0.12，εs≥0.4。

（3）隨應變率降低，J4鋼發生動態再結晶的起始溫度和臨界應變減小，動態再結晶更易發生；而應變率較大時，J4鋼只能在較高溫度較大應變下，才能誘發動態再結晶或僅發生動態回復。

[1] 許淳淳，張新生，胡 鋼.塑性變形對AISI304不銹鋼組織及耐蝕性的影響[J].化工學報，2003，6（54）:790-795.

[2] 張 鋒，李永堂，齊會萍，等.環形鑄坯熱輾擴成形微觀組織演變規律研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（2）:41-42.

[3] 陳明明，何文武，劉艷光，陳慧琴.316LN奧氏體不銹鋼亞動態再結晶行為的研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（4）:83-86.

[4] MCqueen H J，Ryan N D.Constitutive analysis in hot working[J].Mater Sci Eng，2002，A322:43.

[5] Medina S F，Hernandez C A.Modelling of the dynamic recrystallization of austenite in low alloy and microalloyed steels[J].Acta Mater，1996，44（1）:165.

[6] MCqueen H J，Yue S，Ryan N D，et al.Hot working characteristics of steels in austenit1ic state[J].Mater Proc Techn，1995，（53）:293.

Research on dynamic re-crystallization behaviors of J4 low nickel austenite stainless steel

WEI Xinpeng
（Fujian WuHang Stainless Steel Products Co.，Ltd.，Fuzhou 350200，Fujian China）

The influence of deformation process parameters on dynamic re-crystallization of J4 low nickel austenite stainless steel has been investigated by isothermal compression test on Gleeble-1500D thermal simulator.The results show that the dynamic re-crystallization rate of J4 steel increases with smaller strain rate and bigger deformation temperature and strain.Dynamic re-crystallization of J4 steel occurs at the following conditions of deformation:＜0.1s-1，T ≥950℃ and=0.1s-1，T ＞1200℃ .Only dynamic recovery occurs at strain rate of 0.1s-1and T=950℃～1200℃.The dynamic re-crystallization strain fell in the range εp≥0.12 and εs≥0.4.

J4；Process parameter；Dynamic re-crystallization；Dynamic recovery

TG111.7

B

1672－0121（2011）06－0094－03

2011-08-29

魏新鵬，男，工程師，碩士在讀，從事金屬成形技術及理論研究