super304H奧氏體耐熱鋼的熱變形行為研究

  材料的高溫塑性變形是其內(nèi)部微觀(guān)演變與變形過(guò)程中組織變化共同作用的宏觀(guān)反映。金屬材料的塑性加工過(guò)程中，變形時(shí)所需施加的載荷和消耗的能量取決于變形抗力的大小，變形時(shí)，施加的應(yīng)力必須達(dá)到或者超過(guò)峰值應(yīng)力，才能發(fā)生塑性變形。此外，材料變形抗力的變化特征在一定程度上能夠揭示材料變形過(guò)程中微觀(guān)組織的演變。材料在變形過(guò)程中，不光形狀會(huì)發(fā)生變化，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也隨之改變。材料一旦受力，內(nèi)部位錯(cuò)密度急劇增加，產(chǎn)生加工硬化，流變應(yīng)力增大，材料的強(qiáng)度和硬度升高，韌性降低；隨著變形量的增大，晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，位錯(cuò)密度增大到某一程度，再結(jié)晶晶粒開(kāi)始形核和長(zhǎng)大，軟化作用使應(yīng)力降低。這些變化都會(huì)影響加工后材料的實(shí)際使用性能。

 了解材料熱加工過(guò)程中各變形條件與應(yīng)力和再結(jié)晶之間的關(guān)系，可以幫助預(yù)測(cè)材料的成形過(guò)程。利用熱變形本構(gòu)方程，可以推測(cè)材料在熱加工變形過(guò)程中變形抗力與變形溫度、應(yīng)變速率等熱加工參數(shù)之間關(guān)系。Super304H奧氏體耐熱鋼高溫下蠕變斷裂強(qiáng)度高，抗腐蝕性能優(yōu)越，在USC鍋爐再熱器和過(guò)熱器制造中廣泛使用。Super304H不銹鋼在加工過(guò)程中，容易出現(xiàn)裂紋，組織不均勻等問(wèn)題，因此研究super304H不銹鋼高溫塑性變形行為，對(duì)其熱加工工藝參數(shù)選擇和優(yōu)化組織與性能具有非常重要的意義。

  圖為super304H不銹鋼在不同變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。高溫（＞950℃）下，曲線(xiàn)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征，應(yīng)力達(dá)到峰值之后隨應(yīng)變量的增大而緩慢下降，后逐漸穩(wěn)定。這是因?yàn)閇52]變形初期，隨應(yīng)變的增加，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)位錯(cuò)纏繞和亞結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)密度大量增加，加工硬化現(xiàn)象明顯，流變應(yīng)力迅速增大。隨著變形的進(jìn)行，畸變能增大，位錯(cuò)通過(guò)攀移或交滑移作用部分消失，位錯(cuò)密度增速變緩，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，流變應(yīng)力增速變緩。當(dāng)位錯(cuò)密度增大到臨界值時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，軟化作用逐漸加強(qiáng)，位錯(cuò)密度逐漸減小，軟化作用與加工硬化相當(dāng)時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值；隨后軟化作用效果強(qiáng)于加工硬化作用，流變應(yīng)力開(kāi)始降低。當(dāng)軟化速率和加工硬化速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，材料的流變應(yīng)力保持不變，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。表列出了super304H不銹鋼在不同變形條件下的峰值應(yīng)力，結(jié)合圖分析應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)super304H不銹鋼流變應(yīng)力的影響。

  同一變形速率下，溫度升高，流變應(yīng)力減小。例如應(yīng)變速率0.01s-1，溫度由850℃升到1250℃時(shí)，應(yīng)力由310MPa降至35MPa。這是因?yàn)殡S著變形溫度的升高，原子動(dòng)能變大，穩(wěn)定狀態(tài)被打破，原子間結(jié)合力減弱，臨界切應(yīng)力逐漸減小。高溫下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)活躍，通過(guò)攀移或交滑移作用相互抵消，使得位錯(cuò)密度降低，加工硬化作用逐漸減小，流變應(yīng)力降低。同一變形溫度下，變形速率升高，流變應(yīng)力增大。這是由于高應(yīng)變速率下，變形時(shí)間縮短，單位時(shí)間內(nèi)變形量增大，位錯(cuò)增殖迅速，而動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度低，軟化作用減弱。如圖中，950℃下，變形速率為1.0s-1時(shí)，曲線(xiàn)為加工硬化型，變形速率降低至0.1s-1時(shí)，加工硬化率降低，軟化作用很弱。在更低的變形速率0.01s-1時(shí)，峰值過(guò)后曲線(xiàn)明顯下降，應(yīng)力明顯降低。綜上所述，高溫和低應(yīng)變速率變形中，動(dòng)態(tài)軟化效果較強(qiáng)，流變應(yīng)力較低。