雙相不銹鋼熱變形過程中材料性能的研究

安笑頻　李河宗　黃素霞　李鵬博

【摘 要】文章通過觀察不同應(yīng)變速率和變形溫度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線特點(diǎn)，總結(jié)雙相不銹鋼在熱變形過程中材料性能的變化。結(jié)果表明：熱變形過程中，應(yīng)變速率和變形溫度影響雙相鋼中奧氏體相和鐵素體相的占比；變形溫度和變形速率影響雙相鋼在熱變形過程中的軟化機(jī)制；雙相鋼在熱變形過程中會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的塑性變形。

【關(guān)鍵詞】雙相不銹鋼；應(yīng)力—應(yīng)變曲線；變形溫度；應(yīng)變速率

【中圖分類號】TG306；TG142.71 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0096-03

0 引言

鋼鐵作為我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支撐，在能源、環(huán)境、航空航天、國防及國家重大工程等領(lǐng)域具有不可替代的作用。微觀組織的演化過程會影響奧氏體和鐵素體的顯微組織狀態(tài)，對材料內(nèi)部的晶粒尺寸分布起到?jīng)Q定性作用，因此一定程度上鋼的力學(xué)性能會受到影響。雙相鋼較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的抗疲勞性能、良好的抗腐蝕能力和可焊性使其在深海管道、石油化工、造船造紙等方面的應(yīng)用十分廣泛。雙相鋼在熱變形過程中可能會因?yàn)闊崽幚砉に嚥划?dāng)致使鋼的性能惡化，降低鋼材的屈服強(qiáng)度和塑韌性，影響鋼的質(zhì)量和安全性。因此，研究雙相鋼在熱變形過程中材料的性能，從而掌握性能與相組織結(jié)構(gòu)、熱變形參數(shù)之間的變化規(guī)律，并應(yīng)用到實(shí)踐中，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。我國對雙相鋼熱變形的研究起步較晚，雖然取得了一定結(jié)果，但是結(jié)論還未達(dá)成一致。本文通過研究雙相鋼在不同熱變形參數(shù)下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，分析雙相鋼在這些變形參數(shù)下的材料性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為雙相不銹鋼。根據(jù)試驗(yàn)安排，將樣坯在線切割機(jī)上切割加工成尺寸為φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣，用不同型號的砂紙將試樣打磨到端面光滑無劃痕。將準(zhǔn)備好的試樣安裝在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，根據(jù)不同的工藝參數(shù)依次進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn)。將試樣放入試驗(yàn)機(jī)之前，在試樣兩端涂抹黏稠狀的石墨，其目的在于避免試樣和壓頭直接接觸，減少試樣與壓頭之間的摩擦并起到緩沖作用。試驗(yàn)時，為避免試樣表面在升溫過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，在樣品室通入保護(hù)氣體——?dú)鍤狻⒃嚇右?0 ℃/s的速度加熱到1 200 ℃進(jìn)行奧氏體化，保溫5 min以獲得奧氏體晶粒，然后以10 ℃/s的速度冷卻至變形溫度，保溫30 s以消除試樣內(nèi)部溫度梯度，然后在應(yīng)變量為0.8時，以不同的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形。變形完成后對試樣水淬。具體試驗(yàn)方案如圖1所示。

具體實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)見表1。

2 結(jié)果分析

2.1 不同應(yīng)變速率

圖2表示變形溫度不變時，不同應(yīng)變速率的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從圖2可以看出，變形溫度一定時，不同的應(yīng)變速率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線都出現(xiàn)了峰值應(yīng)力，表明雙相鋼在熱變形過程中出現(xiàn)加工硬化。曲線出現(xiàn)最高點(diǎn)后呈下降趨勢，為DRX現(xiàn)象。最后，曲線趨于平緩，存在穩(wěn)定變形區(qū)域，雙相鋼產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形，此時材料的內(nèi)部組織變化穩(wěn)定。應(yīng)變速率越大，對應(yīng)的應(yīng)力值越大，材料的臨界剪切力越大，峰值應(yīng)力越大。應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化是因?yàn)殡p相鋼在熱變形過程中的軟化機(jī)制是由DRX與DRV共同作用。當(dāng)應(yīng)變速率較小時，變形所需的應(yīng)力較低，變形開始于較軟且層錯能較低的鐵素體。因此，變形主要發(fā)生在鐵素體相，軟化機(jī)制以DRV為主。應(yīng)變速率變大，變形的速率也增大，此時鐵素體的DRV來不及進(jìn)行，變形主要在奧氏體中進(jìn)行，軟化機(jī)制以DRX為主。

2.2 不同變形溫度

圖3表示應(yīng)變速率不變時，不同變形溫度時的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從圖3可以看出，在應(yīng)力—應(yīng)變曲線中觀察到峰值應(yīng)力，這表明應(yīng)變速率不變時，不同的變形溫度下雙相鋼出現(xiàn)加工硬化。曲線因DRX在峰值后呈下降趨勢。當(dāng)應(yīng)變速率一定時，變形溫度越高，流動應(yīng)力越小，加工硬化率越低，峰值應(yīng)力越小。隨著變形溫度的升高，應(yīng)力—應(yīng)變曲線趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)區(qū)域變長。這是因?yàn)椴牧显谧冃芜^程中的軟化機(jī)制與加工硬化基本平衡，相互抵消，接近剛塑性模型。應(yīng)變速率確定時，變形溫度越低，對應(yīng)的應(yīng)力值越大。當(dāng)變形溫度較低時，在熱變形過程中鐵素體相向奧氏體相轉(zhuǎn)變占主導(dǎo)地位，材料中的奧氏體含量增加，軟化機(jī)制為DRX；隨著溫度升高，材料中以奧氏體相向鐵素體相轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳎藭r軟化機(jī)制以DRV為主。

觀察圖2和圖3的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以得出：變形初始階段，曲線呈直線上升趨勢，此時雙相鋼處于彈性變形階段。隨著應(yīng)變量的增加，超過彈性范圍，曲線呈拋物線形狀，此時雙相鋼開始塑性變形，產(chǎn)生加工硬化。這期間曲線都出現(xiàn)峰值應(yīng)力，表現(xiàn)出DRX現(xiàn)象，提高了雙相鋼的熱塑性。隨著應(yīng)變量的進(jìn)一步增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化平整，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變形區(qū)域，雙相鋼產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的塑性變形，這是由于材料在變形過程中軟化和加工硬化過程基本平衡，相互抵消，接近剛塑性模型。

3 結(jié)語

高溫變形過程中，當(dāng)達(dá)到一定變形量后，流動應(yīng)力基本保持不變，呈穩(wěn)態(tài)變形區(qū)域。變形溫度降低和應(yīng)變速率增大，流變應(yīng)力會增大；變形溫度越高或應(yīng)變速率越小，穩(wěn)態(tài)區(qū)域會越長。

應(yīng)力—應(yīng)變曲線達(dá)到一定的應(yīng)變量后開始下降并趨于平緩，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)區(qū)域，雙相不銹鋼在變形過程中產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的塑性變形，這是由于材料在熱變形過程中動態(tài)軟化與加工硬化過程基本平衡，相互抵消，接近剛塑性模型。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]