節鎳型高氮奧氏體不銹鋼熱變形行為的研究

王祥元

（東方電氣（廣州）重型機器有限公司，廣東 廣州 511400）

在節鎳型高氮奧氏體不銹鋼中，加入氮元素不僅可以替代金屬鎳在不銹鋼中的作用，同時還可以有效降低生產不銹鋼的成本，最終實現全面提高不銹鋼強度與抗腐蝕性的目的。而在不銹鋼中氮含量的增加或減少會直接影響到奧氏體的穩定性以及其自身的磁性，雖然節鎳型高氮奧氏體不銹鋼具備諸多優點，但是對于冶煉技術以及抗腐蝕性能等方面的研究較少，而熱變形在節鎳型高氮奧氏體不銹鋼出現的頻率較高，所以就需要針對其熱變形行為進行相應的研究。

1 節鎳型高氮奧氏體不銹鋼熱變形的試驗材料與方式

1.1 試驗材料

在實際展開試驗時，主要需要以下材料：非真空感應爐（1t）冶煉、鋼錠等，其中鋼錠內部所包含的化學成分如表1所示。

表1 鋼錠內部化學成分質量%

1.2 試驗方式

在實際試驗的過程中，需要在所選材料的中心部分采取樣本，并將樣本制作為10mm×15mm的熱變形模擬樣品，并且在Gleeble-3800熱力模擬設備上展開試驗，在實際試驗的過程中變形的溫度分別為950℃、1050℃、1150℃等，在不同溫度下樣品的變形速度分別為0.01s-1、1s-1、10s-1等。試驗過程中的具體試驗操作順序包括：在樣品的兩面分別放置鉭片，而后在鉭片與樣品之間均勻的涂抹一層潤滑試劑，可以有效防止在試驗變形過程中樣品與鉭片之間出現摩擦情況而導致試驗結果不具有實質效果；在試驗過程中，第一步需要通過以每秒5℃的升溫速度將溫度上升至1200℃，而后在通過3min的恒溫熱度之后通過每秒5℃的降溫速度將溫度下降至試驗溫度，再通過5s恒溫之后使樣品可以均勻受熱。通過不同變形速度對樣品展開壓縮試驗，其樣品的實際變形量約為45%～5%，待壓縮之后的樣品通過壓縮空氣快速冷卻后，將樣品沿著下壓的方向切開，通過磨拋腐蝕之后在光學顯微鏡下觀察樣品出現變形之后的內部組織變化。具體情況如圖1所示：

圖1 樣品拋光腐蝕之后在光學顯微鏡下的狀態

2 節鎳型高氮奧氏體不銹鋼熱變形的試驗結果分析

2.1 熱變形行為與溫度之間的關系分析

在相同速度下，隨著變形的溫度不斷增加相應的流變也會逐漸減少，最終可以達到峰值的應變也會隨之降低；在相同變形速率的情況下，隨著溫度的不斷增加，不銹鋼樣品的軟化速度也會不斷加快。當處于較低溫度的情況下，樣品的軟化機制屬于動態回復機制，而隨著溫度的不斷上升會促使樣品的軟化不斷向著結晶的方向發展。熱變形行為與溫度之間關系的具體分析如下：當溫度逐漸上升時，會促使爐中的原子動能不斷增加，同時各個原子動能之間的融合能力也在不斷降低，且原子動能的擴散能力也在不斷提高，當樣品在變形的過程中所出現的獲益臨界應力也會不斷降低，同時也會減少樣品的變形阻礙，最終促使樣品更易展開變形。當溫度增加時就會促使原子的振動幅度不斷增加，這一條件下就會使得樣品更加容易出現變形，同時還可以降低樣品因變形而出現的硬化。將節鎳型高氮奧氏體不銹鋼與傳統奧氏體不銹鋼之間相互對比之后可以得知，節鎳型高氮奧氏體不銹鋼的峰值會高于傳統奧氏體不銹鋼，而促使出現這一因素的主要原因在于：樣品中的N元素與其他可容性元素相比，更加具備膨脹系數。同時，N元素具備相應的負電荷，與常規電荷之間的錯位交替時會出現較高的靜電吸引力，而且間隙中的N元素錯位結合能力也會高于C元素的錯位結合能力。當釋放N元素時需要大量的能力累積，并且還需要在特定因素的情況下才可以釋放N元素的錯位。在實際織構的過程中，單一結晶的切分應力會隨著容性較高的N元素而提高，并且在節鎳型高氮奧氏體不銹鋼中，N元素的含量也會隨著不斷增加而提高低能界面，最終就可以充分促進織構結構的發展，從而將節鎳型高氮奧氏體不銹鋼的強度大幅度提高。

2.2 熱變形行為與變形速率之間的關系分析

在同一溫度下，流變會跟隨變形速率的降低而減少，并且樣品的軟化機制也會由動態轉變為動態再結晶。在實際分析這種因素的過程中，需要充分結合實際熱變形行為與變形速率之間的關系而展開分析。在相同溫度的情況下，且變形速率較小時，所經過的變形時間較長，并且可以為不銹鋼提供較為充足的時間來展開動態軟化，從根本上降低不銹鋼因加工而出現的硬化形態；當變形速率較大時，就會促使不銹鋼內部元素的錯位量不斷增加，促使流變應力也在不斷提高。在試驗溫度為950℃時，會對處在不同變形速率下的不銹鋼變形組織造成較大的影響，而當變形速率達到0.01s-1時，最初的結晶處會出現諸多微小的晶粒，當變速率為10s-1時，則會使得樣品中不會出現結晶。在通過950℃來測試不銹鋼時，會隨著變速率的不斷提高而促使結晶數量不斷下降。具體分析：當變形速率下降時就會促使變形的時間不斷增加，而在長時間的變形過程中會基于不銹鋼充足的結晶時間，最終就會使得在這一因素下的結晶數量較多；當通過較高的變形速率對樣品展開變形試驗時，樣品可以在短時間內完成變形，在這一時間內就會導致變形所用時間不足以滿足結晶所用時間，所以在這期間的結晶數量就會出現少或沒有結晶出現的情況。具體情況如圖2所示。

2.3 不銹鋼變形對峰值的影響分析

從節鎳型高氮奧氏體不銹鋼在不同變形條件下的趨勢變化可知，隨著溫度的不斷提高與變形速率的不斷降低，促使結晶的峰值也在不斷下降。而通過這一試驗結果可以充分得知，節鎳型高氮奧氏體不銹鋼屬于一種正常變形速率敏感類材料，而隨著變形速率的不斷增加與變形溫度的降低可以得知，峰值在這一因素的影響之下不斷增加，最終促使不銹鋼極難初選熱變形的情況。

圖2 樣品結晶的具體數據參數

3 結 語

綜上所述，在實際試驗的過程中可以得知，在相同溫度不同變形速率的情況之下，會隨著變形速率的不斷下降而導致變形的時間不斷增加，在這一時間內的樣品軟化時間也就會不斷增加，但流變應力會出現下降的情況，樣品的軟化機制也會通過動態回復不斷向結晶的方向過渡。此外，節鎳型高氮奧氏體不銹鋼屬于一種對變形速率非常敏感的不銹鋼材料，而隨著變形速率的不斷提高以及變形的溫度不斷下降，相應的峰值應力也會不斷增加，所產生的熱變形也會難以開展。基于此在實際試驗的過程中，就需要充分注意到變形速率與溫度之間的關系，同時還需要全面控制變形速率與溫度，最終才可以得出更加準確的參數。