23Cr-8Ni不銹鋼熱變形行為及熱加工圖

張寶偉，黃冬，張玉祥，程彬，劉智超，陳權，吳鳳燁

中國船舶集團有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471023

1 序言

23Cr-8Ni是一種高強、高氮奧氏體不銹鋼，通過添加氮元素提高強度，屈服強度超過800MPa。該鋼還在研制階段，由于沒有成熟熱加工工藝，在小批量試制過程中，操作人員往往根據生產經驗不斷嘗試、摸索[1]，常出現軋制開裂現象，嚴重影響了成材率，為了減少材料浪費，應建立該鋼的熱加工圖。熱加工圖是由PRASAD等依據動態材料模型（DMM）相關理論提出來的，它能直觀地反應不同變形條件下內部顯微組織的演變規律，借此評估材料加工性能的優劣，制定和優化材料的熱加工工藝[2，3]。本文進行了23Cr-8Ni不銹鋼不同應變速率和不同溫度下的等溫壓縮試驗，研究了流動應力、微觀組織與應變速率和溫度的關系，建立23Cr-8Ni不銹鋼的熱加工圖，為合理制定該鋼的熱加工工藝提供指導。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為23Cr-8Ni不銹鋼，在軋制后的鋼板上取樣，試樣尺寸為φ10mm×15mm，如圖1所示。該鋼的基本力學性能見表1。

表1 23Cr-8Ni不銹鋼基本力學性能

圖1 熱壓縮試樣

初始金相組織為孿晶奧氏體，平均晶粒度為6級，如圖2所示。

圖2 初始金相組織

2.2 試驗方法

利用GLEEBLE3500熱力模擬試驗機進行壓縮試驗，試驗溫度分別為1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃和1250℃，應變速率分別為0.001/s、0.01/s、0.1/s、1/s和10/s，在壓縮過程中保持溫度和應變速率恒定。壓縮前在試樣兩側加石墨片和鉭片，以減少摩擦對應力的影響，同時避免試樣與砧子的高溫黏結。試驗時以10℃/s的升溫速度加熱到試驗溫度，保溫5min，再以不同的應變速率進行壓縮，最大真應變為0.7，壓縮完成后快速將試樣放入水中冷卻。每個試驗條件做一個試樣，壓縮后的試樣沿軸向截面進行線切割，對截面進行拋光和腐蝕處理，然后進行金相組織觀察。

3 試驗結果

3.1 應力-應變曲線

不同壓縮溫度和應變速率下的應力-應變曲線如圖3所示。從圖3可看出，溫度和應變速率對23Cr-8Ni不銹鋼的真應力-真應變曲線影響顯著，存在明顯的應變速率強化現象和溫度軟化現象，真應力-真應變曲線能夠顯示流動應力與熱動力學行為之間的內在關系。當應變速率為0.001/s、溫度為1000℃和1050℃時，真應力迅速達到最大值，隨著應變的增加，應力逐漸減少（見圖3a），這是因為動態回復和動態再結晶引起的軟化效應大于加工硬化效應。此時應變速率?。?.001/s），變形時間長，變形試樣有充分的時間進行動態再結晶。在其他條件下，真實應力先逐漸增加，達到峰值應力后逐漸降低，說明峰值應力之前，加工硬化效應大于動態軟化效應，峰值應力之后，動態軟化效應大于加工硬化效應。

圖3 不同應變速率和變形溫度下的真應力-真應變曲線

3.2 微觀組織

（1）溫度對微觀組織的影響 23Cr-8Ni不銹鋼在不同壓縮條件下的顯微組織如圖4所示。當＝0.1/s、T＝1000℃時，晶粒經過壓縮變形后被壓扁和破碎化，動態再結晶時通過形核和長大的方式消除形變基體中的位錯及亞晶界等變形缺陷，再結晶晶粒在長大過程中還存在壓縮變形，少數再結晶晶粒粗大并呈扁平狀，由于溫度較低，大部分晶粒細?。ㄒ妶D4a）；T＝1100℃時，隨著溫度的增加，晶粒尺寸長大，但隨著持續壓縮，大晶粒被壓縮變得扁平，動態再結晶的驅動力一般是由金屬的變形儲存能提供，在大晶粒周圍有細小的晶粒，形成具有“項鏈”特征的動態再結晶晶粒（見圖4b）；當T＝1250℃時，由于溫度升高，晶粒長大明顯，大部分晶粒粗大（見圖4c）。

圖4 不同壓縮條件下的顯微組織

3.3 熱加工圖

真實應變為0.2～0.7時，23Cr-8Ni不銹鋼的熱加工圖如圖5所示。從圖5可看出，熱加工圖中失穩區隨應變量的增加而發生較大變化，即應變量對熱加工圖的影響較大。應變量為0.2、0.3時，失穩區在1000～1050℃、0.01～1/s的范圍內，失穩區面積隨著應變的增加而增加的不明顯；在應變量為0.7時，出現了一個新的失穩區，即1250℃、10/s。在0.01～0.001/s的范圍內沒有出現失穩區，功率耗散因子較大。

圖5 不同應變下的熱加工圖

3.4 特征區域微觀組織

對應變量為0.7的熱加工圖進行分析，依據失穩區域和峰值功率耗散因子將應變量為0.7的熱加工圖分為3個部分。不同變形條件下的顯微組織如圖6所示。

圖6 不同變形條件下的顯微組織

第一部分為低應變區（下半部分），對應溫度為1000～1250℃，應變速率為0.001～0.1/s，隨著應變速率的升高，該區域的功率耗散因子從0.46降至0.31。從圖6a、b可看出，由于應變速率低，變形時間長，有充分的時間進行再結晶，當溫度為1000℃時，初始晶粒在塑性變形的作用下發生碎化和再結晶過程，最后成長為細小等軸晶粒，當溫度為1100℃時，部分再結晶晶粒長大，變為大晶粒與細小晶粒并存的組織。

第二部分為低溫高應變速率區域（左上角），對應溫度為1000～1150℃，應變速率為1～10/s，隨著應變速率的升高，該區域的功率耗散因子從0.24降至0.16。由于變形時間短，動態再結晶過程不能充分進行，在低溫高應變速率下成形性能差，因此出現加工失穩現象。從圖6c可看出，組織為大晶粒與細小晶粒并存，出現“混晶”現象，組織發生不完全再結晶，仍保留部分原始晶粒，可能造成失穩[6]。從圖6d可看出，當溫度從1000℃升高到1050℃時，組織仍然為大晶粒與細小晶粒并存，但大晶粒長的更加粗大。

第三個部分為高溫高應變速率區域，對應溫度1250℃、應變速率10/s，該區域功率耗散因子為0.27。從圖6e可看出，組織為粗大的再結晶晶粒，在大晶粒周圍有小晶粒，雖然壓縮時間短，但是變形溫度高，組織看不到壓縮變形晶粒，說明已經完全再結晶，由于晶粒不均勻，出現“混晶”現象。

4 結束語

1）23Cr-8Ni不銹鋼流動應力的變化與熱壓縮參數密切相關，流動應力隨應變速率的增加和變形溫度的降低而升高。

2）23Cr-8Ni不銹鋼的優選熱加工參數為1000～1250℃、0.001～0.1/s，功率耗散因子可達0.46，其軟化主導機制為動態再結晶。