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)部微觀演變與變形過程中組織變化共同作用的宏觀反映。金屬材料的塑性加工過程中，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程中微觀組織的演變。材料在變形過程中，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鍋爐再熱器和過熱器制造中廣泛使用。Super304H不銹鋼在加工過程中，容易出現(xiàn)裂紋，組織不均勻等問題，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。高溫（＞950℃）下，曲線呈現(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)，峰值過后曲線明顯下降，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。