節鎳型高氮奧氏體不銹鋼熱變形行為的研究

張雲飛 趙英利 常金寶 嵇 爽 王程明

(河鋼集團鋼研總院，河北 石家莊 050000)

節鎳型高氮奧氏體不銹鋼中，廉價氮元素的加入不但可以代替金屬鎳的作用從而降低生產成本，還能提高材料的強度和耐蝕性能；氮含量的不同還會影響鋼的奧氏體穩定性、熱膨脹性及磁性等[1- 3]。節鎳型高氮奧氏體不銹鋼具有諸多優點，因而受到科研工作者的廣泛關注，現已大量應用在海洋工程、汽車、發電機轉子護環等領域。目前，對節鎳型高氮不銹鋼的研究方向主要是冶煉技術[4- 7]、耐腐蝕性能[8- 9]等，對于熱變形的研究相對較少。

為了研究該鋼種在高溫下的變形行為，本文通過高溫壓縮試驗和組織觀察研究了應變速率及變形溫度對高溫流變應力的影響，并觀察了壓縮變形后的顯微組織，以期為該鋼種熱加工工藝的制定提供基礎。

1 試驗材料及方法

試驗材料為非真空感應爐(1 t)冶煉+電渣重熔(ESR)生產的鋼錠，其化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of test steel (mass fraction) %

在材料的中心部位取樣，制成尺寸φ10 mm×15 mm的熱模擬樣品，在Gleeble- 3800熱/力模擬機上進行熱壓縮試驗，變形溫度分別設為950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200 ℃，變形速率分別設為0.01、0.1、1、10 s-1。具體試驗步驟為：在試樣兩端放置鉭片并涂抹潤滑劑，防止變形過程中試樣與夾持端產生摩擦而影響試驗結果。以5 ℃/s的速率升溫到1 200 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃/s降溫到試驗溫度，保溫5 s使試樣均熱；以不同的變形速率進行壓縮試驗，變形量為50%。壓縮后的試樣經壓縮空氣急速冷卻后，沿下壓的方向切開，經磨拋腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察試樣變形后的顯微組織。

2 試驗結果及分析

2.1 高溫流變行為與溫度之間的關系

圖1為試驗鋼在不同應變速率和變形溫度下由熱壓縮試驗得到的真應力- 真應變曲線。 從圖中可以看出，在相同應變速率下，隨著變形溫度的升高，流變應力逐漸降低，且達到峰值應力的應變也逐漸減小，即隨著溫度的升高，材料更容易發生動態軟化。在較低溫度變形時，材料的軟化機制是動態回復，隨著溫度的不斷升高，軟化機制逐漸向動態再結晶轉變。

圖1 試驗鋼在應變速率為(a)0.01 s-1、(b)0.1 s-1、(c)1 s-1和 (d)10 s-1時不同變形溫度下壓縮的流變應力曲線Fig.1 Flow stress curves of test steel deformed at different temperatures with strain rates of (a) 0.01 s-1,(b) 0.1 s-1,(c) 1 s-1 and (d) 10 s-1

分析其原因：隨著溫度的升高，原子動能增加，原子間的結合力減小，原子擴散能力增強，變形過程中位錯滑移的臨界剪切應力減小，降低了變形阻力，動態軟化更容易進行[10]。材料內部原子的熱振動幅度增加，更容易發生變形，減弱了因變形而產生的加工硬化。與常規奧氏體不銹鋼相比，節鎳型高氮奧氏體不銹鋼的峰值應力明顯升高[11]。這主要是由于N與其他溶質元素相比，具有更高的晶格膨脹系數。此外，N原子具有負電荷，與帶正電荷的位錯具有靜電吸引力，間隙N原子對位錯的釘扎作用非常顯著，N原子與位錯的結合力強于C原子與位錯的結合力，釋放被N原子固定的位錯需要更多的能量。在織構方面，單一晶體內的臨界切分應力隨固溶N的增加而上升。在多晶奧氏體鋼中，N含量的增加可以提高低能界面，促進織構發展，從而強度上升。

圖2為試驗鋼在應變速率為0.01 s-1時不同溫度熱變形后的微觀組織。從圖中可以看出，在800 ℃時，原始組織發生壓縮變形，晶粒被拉長，呈纖維狀，晶界處沒有動態再結晶晶粒出現，此時軟化機制是動態回復。在900 ℃變形時，原始奧氏體晶粒的部分晶界處出現了細小的再結晶晶粒。當溫度升高到1 000 ℃后，變形組織的晶界處再結晶晶粒數量明顯增加，同時晶粒尺寸呈增大趨勢，動態再結晶晶粒體積分數增大。隨著溫度的升高，原子擴散能力增強，晶界遷移速度加快，再結晶晶粒繼續長大。在1 100 ℃時，再結晶晶粒沿著原始晶界向晶粒內擴展，由于提供能量的不足，試驗鋼發生部分動態再結晶，因此變形組織不均勻，呈細小的再結晶晶粒及只發生壓縮變形的原始晶粒的混合組織。1 150 ℃變形時，變形組織并不均勻，出現了等軸再結晶晶粒與扁平變形晶粒的混合組織，此時再結晶晶粒長大，原始奧氏體晶粒尺寸減小。在1 200 ℃壓縮變形時，發生了完全再結晶，基本為長大的再結晶晶粒。因此，變形溫度的升高可以提高組織的均勻性。

2.2 高溫流變行為與應變速率之間的關系

圖3為相同溫度不同應變速率下的流變應力曲線。由圖可知，在同一溫度下，流變應力隨著應變速率的減小而降低，且軟化機制由動態回復逐漸向動態再結晶過渡。分析其原因：在相同溫度下，應變速率較低時，變形時間長，可以提供充足的時間進行動態軟化，從而減弱加工硬化[12]。而應變速率的加快，導致位錯的數量大幅度增加，因此流變應力上升。

圖4為試驗鋼在950 ℃、不同應變速率下的變形組織，可見應變速率對熱變形組織影響較大。當應變速率為0.01 s-1時， 原始晶界處出現大量細小的再結晶晶粒，應變速率為10 s-1時，沒有動態再結晶出現。950 ℃變形時，隨著應變速率的增加，動態再結晶晶粒數量逐漸減少。分析其原因：應變速率小，變形時間延長，動態再結晶時間充足，因此動態再結晶數量相對更多。以高應變速率變形時，短時間內就完成了變形，不能提供足夠的時間使動態再結晶晶粒形核及長大，因此再結晶晶粒尺寸偏小[13]。

圖4 試驗鋼在950 ℃以(a)0.01 s-1、(b)0.1 s-1、(c)1 s-1和(d)10 s-1應變速率變形后的微觀組織Fig.4 Microstructures of test steel deformed at (a) 950 ℃ at the strain rate of (a) 0.01 s-1，(b) 0.1 s-1，(c) 1 s-1 and (d) 10 s-1

2.3 變形條件對峰值應力的影響

圖5所示為不同變形條件下峰值應力的變化趨勢。可以看出，隨著變形溫度的升高和應變速率的降低，峰值應力逐漸降低。由此可以得出：高氮節鎳奧氏體不銹鋼是一種正應變速率敏感材料，即隨應變速率的增大和變形溫度的降低，峰值應力增大，熱變形難以進行。

3 結論

(1)研究了變形條件對高氮節鎳奧氏體不銹鋼的高溫流變應力的影響。發現在同一應變速率、不同的變形溫度下，變形溫度越高，流變應力越小，軟化機制逐漸由動態回復向動態再結晶轉變，組織均勻性提高。

圖5 試驗鋼在不同變形條件下峰值應力的變化趨勢Fig.5 Variation trends of peak stress of test steel under different deformation conditions

(2)在同一變形溫度、不同的應變速率下，應變速率越低，變形時間越長，動態軟化的時間越充足，因此流變應力越低，軟化機制由動態回復逐漸向動態再結晶過渡。

(3)高氮節鎳奧氏體不銹鋼是一種正應變速率敏感材料，即隨著應變速率的增大和變形溫度的降低，峰值應力逐漸增大，熱變形難以實施。