在1123~1423 K、0.1~10 s-1條件下對18.7Cr-1.0Ni-5.8Mn-0.2N節(jié)Ni型雙相不銹鋼進行70%大變形量熱壓縮研究。利用OM、SEM和EBSD分析熱變形組織。結(jié)果表明,鐵素體動態(tài)再結(jié)晶(DRX)主要發(fā)生在1123 K較低變形溫度,隨應變速率增大,晶粒細化程度增加,晶粒不均勻程度減小。應變速率對鐵素體DRX影響較大,而奧氏體DRX對變形溫度更加敏感。在1223 K、10 s-1條件下,鐵素體相發(fā)生了以小角度晶界(LAGB)向大角度晶界(HAGB)轉(zhuǎn)變的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶(CDRX),而在1323 K、0.1 s-1條件下,奧氏體相以不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶(DDRX)為主。低應變速率條件下升高溫度易誘發(fā)DDRX,而在高應變速率條件下易發(fā)生CDRX。在高溫低應變條件下,奧氏體相晶粒取向主要為(001)和(111)再結(jié)晶織構(gòu),而鐵素體相在(001)和(111)織構(gòu)之間存在競爭關(guān)系。擬合獲得臨界應力(應變)并確定了其與峰值應力(應變)的關(guān)系。隨著應變增加,熱加工失穩(wěn)區(qū)縮小,且穩(wěn)定區(qū)逐漸向高溫高應變速率方向移動,1323~1423 K、0.01~6.05 s-1的熱參數(shù)條件最適合熱加工。
關(guān)鍵詞:
雙相不銹鋼兼有鐵素體和奧氏體兩相組織特點,具有良好的強度、韌性以及耐腐蝕性,廣泛用于化學處理容器、管道、熱交換器和建筑鋼筋等結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域。目前,Ni元素的價格約為同等質(zhì)量下Mn元素的8~9倍,且不斷攀升,一定程度上制約了雙相不銹鋼的發(fā)展。對于以Mn代Ni型雙相不銹鋼,Mn的添加將對兩相的層錯能(SFE)產(chǎn)生一定影響[1],與傳統(tǒng)高Ni型雙相不銹鋼相比,因Mn和Ni穩(wěn)定奧氏體能力不同,可在熱加工過程中表現(xiàn)出不同的變形特點。
熱加工過程中金屬軟化主要受堆垛SFE影響,通常認為鐵素體具有較高的SFE,高溫變形時位錯的攀移和交滑移容易發(fā)生,其軟化主要以動態(tài)回復(DRV)為主[2],而奧氏體具有較低的SFE,其軟化以動態(tài)再結(jié)晶(DRX)為主[3]。但近期研究發(fā)現(xiàn),鋁合金[4,5]、低碳鋼[6,7]、Nb微合金鋼[8,9]等高SFE金屬在熱變形時亦可發(fā)生DRX,且Fe-3%Si (質(zhì)量分數(shù))鐵素體不銹鋼在大變形熱壓縮條件下能發(fā)生DRX[10]。因合金元素在鐵素體中的擴散速率遠高于在奧氏體中的擴散速率,導致雙相不銹鋼兩相晶界遷移能力不同,使得位錯運動更加復雜,且兩相SFE差異較大,故在高溫變形過程中表現(xiàn)出不同的軟化行為機制[11]。Dehghan-Manshadi和Hodgson[12]對比AISI 304奧氏體鋼和2205雙相不銹鋼的扭轉(zhuǎn)變形發(fā)現(xiàn),AISI 304奧氏體發(fā)生非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶(DDRX),而雙相不銹鋼中的奧氏體相在鐵素體相影響下以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶(CDRX)軟化機制為主。然而,有研究發(fā)現(xiàn),DRX主要發(fā)生在雙相不銹鋼的鐵素體相上。Fan等[13]認為,2205雙相不銹鋼在熱壓縮的變形過程中,DRV只發(fā)生在奧氏體相,而鐵素體發(fā)生DRX。Cizek和Wynne[14]研究發(fā)現(xiàn),21Cr-10Ni-3Mo雙相不銹鋼在扭轉(zhuǎn)變形下,鐵素體相中無新晶粒的形核和長大相關(guān)的DDRX的現(xiàn)象,其軟化機制為CDRX。方軼琉等[15]則認為,2101雙相鋼熱壓縮變形過程中鐵素體和奧氏體都發(fā)生了CDRX。鑒于雙相不銹鋼復雜的再結(jié)晶機制以及DDRX和CDRX之間的相似性,為提高以Mn代Ni雙相不銹鋼的高溫熱變形性能,需對其不同熱變形參數(shù)條件下大變形熱壓縮行為以及組織演變特征進一步深入研究。
本工作采用19%Cr節(jié)Ni型雙相不銹鋼,其Cr含量低于LDX 2101不銹鋼,不易形成對力學性能有害的析出相[16],具有較高的經(jīng)濟性。主要分析了不同熱變形條件下雙相不銹鋼的熱壓縮流變行為,并利用掃描電鏡(SEM)、電子背散射衍射(EBSD)等分析變形組織和DRX晶粒的亞結(jié)構(gòu)特征,探討微觀組織演化及軟化機理,建立加工圖預測雙相不銹鋼的理想加工區(qū)域。以期為合理選擇該合金的熱變形工藝參數(shù),實現(xiàn)組織的控制提供科學依據(jù)。
實驗用雙相不銹鋼成分(質(zhì)量分數(shù),%)為:C 0.041,Si 0.21,Mn 5.77,S 0.004,P 0.007,Cr 18.66,Ni 1.04,Mo 1.12,Cu 0.13,N 0.23,F(xiàn)e余量。采用25 kg真空感應爐熔煉,澆注成錠,將鑄錠熱鍛成寬130 mm、厚35 mm的長方塊,然后在1313~1453 K下熱軋成12.5 mm厚的板材。將板材在1323 K固溶處理30 min,以保持兩相平衡和成分均勻化。將固溶后的板材沿軋制方向加工成直徑8 mm、長15 mm的圓柱體試樣,表面粗糙度Ra為3.2。采用Gleeble-3800熱力模擬試驗機對試樣進行不同熱參數(shù)下70%的壓縮實驗,熱壓縮工藝曲線如圖1所示。以10 K/s的速率將試樣加熱到變形溫度,保溫3 min,熱變形完成后立刻水淬以保持高溫變形時組織。其中變形溫度分別為1123、1223、1323和1423 K,變形速率分別為0.01、0.1、1和10 s-1,最大真應變?yōu)?.2。為進一步減小試樣在熱壓縮過程中的摩擦,在模具和試樣接觸位置放置厚度為0.05 mm的Ta箔片。熱壓縮后試樣沿垂直于壓縮變形方向切割并在濃HNO3中電解腐蝕,腐蝕電壓為1.5 V,腐蝕時間為5~10 s,采用DMI5000 M型光學顯微鏡(OM)和VEGA3 TESCAN型SEM觀察微觀組織,并使用Nano Measurer軟件統(tǒng)計晶粒尺寸。將試樣研磨后在10%高氯酸+90%乙醇溶液(體積分數(shù))中電解拋光,拋光后的樣品用酒精清洗干凈。采用LEO-1450型SEM上裝配的Channel 5系統(tǒng)進行EBSD測試分析,其中掃描區(qū)域為試樣表面中心位置,加速電壓為15 kV,步長為0.5 μm。
圖1熱壓縮實驗工藝曲線
Fig.1Process curve of hot compression test
圖2為試樣在不同熱變形條件下進行熱壓縮實驗的真應力-真應變曲線。可見,流變曲線在變形初期均發(fā)生加工硬化,應力峰值出現(xiàn)后流變應力逐漸降低至穩(wěn)態(tài)應力。同時,升高溫度和降低應變速率使流變應力在低應變下趨于穩(wěn)態(tài)。隨著應變速率的增加和溫度的降低,峰值應力/應變增加。在0.01和0.1 s-1變形時,試樣在1123~1423 K條件下均表現(xiàn)出應力迅速上升至峰值、隨后軟化至穩(wěn)態(tài)區(qū)域的典型DRX行為(圖2a和b)。而在1 s-1變形的應變后期則出現(xiàn)加工硬化狀態(tài)(圖2c),這主要由于位錯增殖和纏結(jié)所產(chǎn)生的加工硬化作用大于回復與再結(jié)晶過程中位錯的重排和抵消所引起的軟化效應所致[17]。在10 s-1的高應變速率下(圖2d),1123~23 K條件下變形時均有明顯的DRX行為,而在1423 K條件下流變曲線中表現(xiàn)為一個寬的應力峰值,且峰值之后的流動軟化量減小。應變速率增加可使位錯增殖和運動速率加快以提高流變應力,同時縮短動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶的軟化時間。因此,在高應變速率條件下變形,只有提高變形溫度、提供足夠大的軟化速率來平衡加工硬化速率增大,以達到在小應變下出現(xiàn)峰值并迅速進入穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象[18]。在1 s-1、1323和1423 K條件變形時出現(xiàn)明顯的曲線波動,這是因為晶界遷移速率快使得再結(jié)晶形核快速長大,流變應力突然下降導致波動產(chǎn)生,表明在此條件下發(fā)生DDRX[19]。但Yamagata等[19]提出無流變曲線波動也可能發(fā)生DDRX,高的晶界遷移速率是誘發(fā)DDRX的重要條件。因此,需通過組織演變進一步研究其再結(jié)晶機制。
圖2雙相不銹鋼試樣在1123~1423 K、0.01~10 s-1變形時的真應力-真應變曲線
(a)
Fig.2True stress-true strain curves of duplex stainless steel samples deformed at 1123-1423 K (
圖3為試樣熱壓縮態(tài)和固溶態(tài)的OM像,深色為鐵素體,淺色為奧氏體。相對固溶態(tài)組織(圖3m),不同熱變形條件下兩相呈現(xiàn)出明顯的細化。在0.01 s-1、1123 K變形時鐵素體相主要為細小等軸晶,而奧氏體為長條狀變形組織(圖3a)。當溫度為1223 K時(圖3b),鐵素體相發(fā)生DRV,奧氏體相的細晶區(qū)逐漸由相界處延伸到晶界及內(nèi)部。當溫度升高到1323 K時(圖3c),鐵素體相仍發(fā)生DRV,而奧氏體內(nèi)部主要為等軸再結(jié)晶晶粒組織。因此,該低應變速率條件下鐵素體相在1123 K變形時發(fā)生DRX,隨著溫度升高發(fā)生DRV。而奧氏體在1123 K條件下發(fā)生部分DRX,并隨溫度升高晶界遷移速率增加,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉容S狀再結(jié)晶組織[20]。在1123 K、0.01~10 s-1條件下(圖3a、d、g和j),鐵素體均為細小的等軸晶,且隨應變速率增加,晶粒發(fā)生明顯細化。這主要因為高SFE鐵素體相對奧氏體發(fā)生再結(jié)晶需要的儲存能低,且高應變速率增加了變形儲能,為其發(fā)生DRX提供驅(qū)動力,這與所報道的低碳微合金鋼的變形機理相一致[21]。此外,提高應變速率一定程度上抑制了DRX晶粒長大。奧氏體呈現(xiàn)混晶形貌,細小DRX晶粒沿變形方向呈條狀分布,且隨應變速率增加而減少,出現(xiàn)分割奧氏體的“細線”特征(圖3j)。在1223 K (圖3b、e、h和k)和1323 K (圖3c、f、i和l)變形時,隨著應變速率的增加,鐵素體晶粒尺寸的平均值和不均勻程度均減小,奧氏體DRX發(fā)生程度減小。這與較高應變速率下γ/α相界和奧氏體相內(nèi)進行DRX的形核和長大時間較短,晶界遷移不足,形核率降低有關(guān)[22]。
圖3雙相不銹鋼試樣在不同條件變形時及固溶態(tài)的OM像
(a) 1123 K, 0.01 s-1(b) 1223 K, 0.01 s-1(c) 1323 K, 0.01 s-1
(d) 1123 K, 0.1 s-1(e) 1223 K, 0.1 s-1(f) 1323 K, 0.1 s-1
(g) 1123 K, 1 s-1(h) 1223 K, 1 s-1(i) 1323 K, 1 s-1
(j) 1123 K, 10 s-1(k) 1223 K, 10 s-1(l) 1323 K, 10 s-1
(m) as-solution treated
Fig.3OM images of duplex stainless steel samples deformed at different conditions and solution state (The ellipses in Figs.3e, g, h, j, and k exhibit the recrystallized nucleation structures)
為進一步分析1123和1223 K變形時奧氏體相再結(jié)晶晶粒的細化程度和形核情況(圖3中橢圓標記),可采用SEM對其進一步分析(圖4中橢圓標記),可觀察到γ/α相界和奧氏體相內(nèi)的細小變形帶為DRX的形核組織。圖4a (1123 K、0.01 s-1)中A位置表示奧氏體在γ/α相界處形核,形成再結(jié)晶晶粒,B位置為未變形晶粒。奧氏體相在1223 K較高溫度變形時發(fā)生DRX的程度增加,且鐵素體晶粒也長大(圖4b)。圖4c~h橢圓標記位置處均發(fā)現(xiàn)奧氏體內(nèi)有細小DRX晶粒形核,且形核范圍隨溫度升高和應變速率降低而增加,并形成部分納米晶粒。奧氏體在γ/α相界處新形成的DRX晶粒可以阻礙晶界的遷移和晶粒的轉(zhuǎn)動,有利于再結(jié)晶的發(fā)生[20]。在1123 K、0.01~10 s-1變形時,鐵素體均為細小的等軸晶,且應變速率增加,其晶粒發(fā)生明顯細化,晶粒尺寸減小。圖5為1123 K變形時所統(tǒng)計的鐵素體晶粒尺寸隨應變速率的變化柱狀圖。應變速率由0.01增加至10 s-1時(圖4a、c、e和g),平均晶粒尺寸由6.00 μm降至3.20 μm,且不均勻程度減小,表明鐵素體在高應變速率下晶粒DRX細化效果明顯。這是因為壓縮變形過程中鐵素體相發(fā)生了CDRX[6],與真應力-真應變曲線在高應變速率下出現(xiàn)明顯“再結(jié)晶”特征曲線一致(圖2d)。
圖4雙相不銹鋼試樣在1123和1223 K變形時的SEM像
(a) 1123 K, 0.01 s-1(b) 1223 K, 0.01 s-1(c) 1123 K, 0.1 s-1(d) 1223 K, 0.1 s-1
(e) 1123 K, 1 s-1(f) 1223 K, 1 s-1(g) 1123 K, 10 s-1(h) 1223 K, 10 s-1
Fig.4SEM images of duplex stainless steel samples deformed under 1123 and 1223 K (The ellipses in Figs.4c~h exhibit the recrystallized nucleation structures)
圖51123 K變形時雙相不銹鋼試樣中鐵素體平均晶粒尺寸與應變速率的關(guān)系
Fig.5Relationship between average ferrite grain size and strain rate of duplex stainless steel samples deformed at 1123 K
發(fā)生再結(jié)晶時,相鄰亞晶界遷移或者合并導致晶粒之間的取向差進一步增大,使小角度晶界(LAGB)轉(zhuǎn)化為大角度晶界(HAGB)[15],故可采用EBSD技術(shù)統(tǒng)計大小角度晶界所占比例來分析DRX發(fā)生的程度。
圖6a~g為試樣在不同變形條件下的大小角度晶界分布圖。圖6h為1223 K、0.01 s-1變形時對應圖6a的兩相分布圖,可知奧氏體相(紅色)大部分為HAGB且晶粒細化,鐵素體相(綠色)存在較多LAGB且晶粒較粗大。圖7為所統(tǒng)計HAGB數(shù)量在單相以及兩相總晶界的占比變化。在1223 K、0.1~10 s-1變形時(圖7a),鐵素體相中的HAGB比例隨應變速率增大而增加,其在1223 K、10 s-1條件下的HAGB比例高達0.908 (圖6d),表明變形過程中鐵素體相發(fā)生了從LAGB不斷向HAGB轉(zhuǎn)變的CDRX,與在該變形條件下OM (圖3k)和SEM (圖4h)組織變化一致。高溫變形過程中LAGB持續(xù)吸收位錯轉(zhuǎn)變?yōu)镠AGB,大量消耗位錯并導致晶粒細化[15],故CDRX是導致鐵素體相在高應變速率下晶粒細化的原因,這與Abedi等[23]得出提高應變速率有助于CDRX的發(fā)生而導致晶粒細化一致。1223 K變形時,奧氏體相HAGB比例隨著應變速率的增加而降低,表明其在低應變速率下(0.01 s-1)更容易發(fā)生DRX。但奧氏體相大、小角度晶界比例隨變形條件變化并沒有鐵素體波動大,HAGB所占比例變化的最大差值為0.152。
在0.1 s-1、1123~1323 K (圖7b)變形條件下,奧氏體的HAGB比例隨著溫度的升高而增加,其中HAGB在1323 K、0.1 s-1條件下的比例高達0.939,但在1123 K、0.1 s-1變形時所占比例僅有0.762,表明其在較高溫度下才有足夠變形儲存能使LAGB充分轉(zhuǎn)化為HAGB,從而發(fā)生較為完全的DRX,這與金相組織規(guī)律變化一致(圖3f)。隨著溫度升高到1423 K,奧氏體相HAGB比例降低到0.878,這是由于DRV的加強消耗了部分存儲能,使DRX驅(qū)動力減少,減少了DRX發(fā)生[24,25]。結(jié)合上述分析,奧氏體晶界在1223 K、0.01 s-1條件下具有明顯再結(jié)晶“晶界凸起”的特征,即通過晶粒的形核和長大的方式使位錯湮滅以及消除亞晶界等缺陷,為DDRX。DDRX是通過HAGB的遷移實現(xiàn)的,同時晶粒內(nèi)也存在大、小角度晶界之間轉(zhuǎn)換的CDRX[12]。因此奧氏體熱變形軟化以DDRX為主,同時存在CDRX,與Dehghan-Manshadi和Hodgson[12]報道的雙相不銹鋼中奧氏體相同時存在DDRX和CDRX 2種變形機制相符合。
圖7兩相及兩相之和中HAGB數(shù)量隨著應變速率和溫度的變化
(a) 1223 K, 0.01-10 s-1(b) 0.1 s-1, 1123-1423 K
Fig.7Number fraction variations of HAGB with the strain rate and temperature in two phases and the sum of two phases
在低應變速率下,再結(jié)晶晶界有足夠的時間遷移,且遷移速度率隨著溫度升高而變大,容易發(fā)生DDRX。而在高應變速率時,再結(jié)晶晶界沒有足夠時間遷移,容易產(chǎn)生CDRX,故升高溫度、提高晶界遷移速率容易誘發(fā)DDRX。此外,在1223 K下,總的HAGB所占比例隨應變速率的變化規(guī)律與鐵素體相相同。在0.1 s-1應變速率下,總的HAGB所占比例隨變形溫度變化規(guī)律與奧氏體相相同。因此,應變速率對鐵素體DRX影響較大,而奧氏體DRX對變形溫度變化較為敏感。
圖6雙相不銹鋼試樣在1223 K、0.01~10 s-1和0.1 s-1、1123~1423 K變形條件下的兩相分布晶界圖
(a) 1223 K, 0.01 s-1(b) 1223 K, 0.1 s-1(c) 1223 K, 1 s-1(d) 1223 K, 10 s-1(e) 1123 K, 0.1 s-1(f) 1323 K, 0.1 s-1(g) 1423 K, 0.1 s-1(h) 1223 K, 0.01 s-1(Phase maps with two colors)
Fig.6Grain boundary diagrams of duplex stainless steel samples under deformation condition of 1223 K and 0.01-10 s-1, and 0.1 s-1and 1123-1423 K (The blue lines indicate the high angle grain boundaries (HAGBs, 15°-180°), the green lines indicate the low angle grain boundaries (LAGBs, 2°-15°))
圖8為試樣在不同變形條件下沿軋制方向(RD)的EBSD取向分布圖,可以直觀地反映織構(gòu)分布及強度情況。可見,經(jīng)過熱變形后的織構(gòu)主要為變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu),其中變形織構(gòu)為(101)織構(gòu)(綠色),變形晶粒大部分沿軋制方向呈長條狀分布。再結(jié)晶織構(gòu)明顯不同于變形織構(gòu),主要為(001)和(111)織構(gòu)等。由于試樣中HAGB的比例較大及晶粒的生長方向不同,相鄰的晶粒間織構(gòu)取向各異,如圖8b中A位置,存在晶粒的擇優(yōu)生長。在1223 K、0.01 s-1(圖8a)變形時主要為(001)和(111)再結(jié)晶織構(gòu),存在(101)變形織構(gòu)。變形織構(gòu)隨應變速率的增加而增多,但在(101)變形織構(gòu)中局部出現(xiàn)的再結(jié)晶織構(gòu)(圖8b~e中黑色矩形位置)表明,中高應變速率下也會發(fā)生DRX,但較低的應變速率更有利于再結(jié)晶的發(fā)生。溫度提高有利于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動,晶粒取向由(101)變形織構(gòu)(綠色)逐漸向(001) (紅色)和(111) (藍色)再結(jié)晶織構(gòu)轉(zhuǎn)變,使試樣中的變形織構(gòu)逐漸減弱并轉(zhuǎn)變?yōu)樵俳Y(jié)晶織構(gòu)。溫度的升高有助于奧氏體發(fā)生CDRX,(001)和(111)再結(jié)晶織構(gòu)增多,取向差增大且取向變得更加集中(圖8f和g)。
圖8雙相不銹鋼試樣在1223 K、0.01~10 s-1和0.1 s-1、1123~1423 K變形條件下的組成相的EBSD晶粒取向圖
(a) 1223 K, 0.01 s-1(b) 1223 K, 0.1 s-1(c) 1223 K, 1 s-1(d) 1223 K, 10 s-1
(e) 1123 K, 0.1 s-1(f) 1323 K, 0.1 s-1(g) 1423 K, 0.1 s-1
Fig.8Orientation distribution maps of the composition phases of duplex stainless steel samples under deformation conditions of 1223 K and 0.01-10 s-1, and 0.1 s-1and 1123-1423 K (RD—rolling direction)
圖9是應變速率為0.1 s-1時兩相的反極圖。隨著溫度的升高,奧氏體變形織構(gòu)(101)強度顯著降低,逐漸向(001)再結(jié)晶織構(gòu)轉(zhuǎn)變,溫度升高有利于奧氏體DRX發(fā)生。在1123 K時鐵素體相織構(gòu)(001)取向密度最大,隨著溫度升高,(001)織構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?111)織構(gòu)。因此在鐵素體相中,(001)和(111)再結(jié)晶織構(gòu)存在競爭關(guān)系。
圖9雙相不銹鋼試樣在0.1 s-1變形條件下的反極圖
(a) austenite phase (b) ferrite phase
Fig.9The inverse pole figures (IPFs) of duplex stainless steel samples deformed at 0.1 s-1and 1123-1423 K
圖10雙相不銹鋼試樣在10 s-1、1323 K和0.01 s-1、1123~1423 K變形時加工硬化率與應力之間的關(guān)系
Fig.10The relationships between strain hardening rate (θ) and stress (σ) of duplex stainless steel samples deformed at 10 s-1and 1323 K (a), and 0.01 s-1and 1123-1423 K (b) (σs—steady stress,σc—critical stress,σp—peak stress)
試樣在10 s-1、1323 K變形時的θ-σ之間的關(guān)系如圖10a所示。可以看出,θ-σ曲線3個階段對應變形過程中不同的微觀組織特征。第一階段θ快速線性下降,從塑性變形開始到材料中開始出現(xiàn)亞晶粒(出現(xiàn)DRV)結(jié)束。第二階段θ-σ的斜率減小,變形過程是從DRV到DRX的開始(對應的應力為σc)。第三階段是從DRX開始到變形結(jié)束,θ下降到零(對應峰值應力σp)。隨著進一步的變形,θ達到最小值(負值),當θ再次增加到零時對應的應力為穩(wěn)態(tài)應力σs,即DRV和DRX所引起的軟化與加工硬化達到新平衡。當σc確定時,就可通過流變曲線確定εc。繪制所得試樣在0.01 s-1應變速率下的θ-σ曲線,如圖10b所示,曲線中均出現(xiàn)拐點特征。
圖11不同應變速率下臨界應力(σc)、臨界應變(εc)與溫度的關(guān)系
Fig.11The relationships betweenσc(a),εc(b) and temperature (T) at different strain rates (εc—critical strain)
圖12雙相不銹鋼試樣σc-σp和εc-εp的關(guān)系
Fig.12Relationships ofσc-σp(a) andεc-εp(b) for duplex stainless steel samples (εp—peak strain,r2—linear correlation)
式中,G為因塑性變形耗散的能量,G=
其中,m為應變速率敏感指數(shù),是G和J2部分能量之間的分配系數(shù)。m=
圖13雙相不銹鋼試樣在1123~1423K、0.01~10 s-1變形時的3D-能量耗散圖和流變失穩(wěn)圖,以及真應變?yōu)?.2條件下的熱加工圖
Fig.133D-energy dissipation (a) and flow instability (b) diagrams of duplex stainless steel samples deformed at 1123-1423 K and 0.01-10 s-1, and hot processing map atε=1.2 true strain (c)
由Prasad等[33]提出的失穩(wěn)因子(
流變失穩(wěn)圖可以通過ξ在不同熱參數(shù)下的變化來構(gòu)建,而當ξ為負值時表示熱加工時的失穩(wěn)域。因此,可以通過將能量耗散圖與流變失穩(wěn)圖疊加得到熱加工圖,來表征材料加工區(qū)域的穩(wěn)定性。
圖13a和b分別為0.2~1.2應變疊加得到的3D-能量耗散和流變失穩(wěn)圖,可直觀觀察到不同應變條件下能量耗散率和失穩(wěn)因子的變化。在3D-能量耗散圖(圖13a)中灰色部分表示η<0.3,藍色部分表示0.3≤η≤0.4,紅色部分表示η>0.4。當應變從0.2增加為0.8時,η增大(紅色與藍色區(qū)域均增加),當應變增加到1.0和1.2時,隨著應變的增加η減小(紅色區(qū)域減小),且在高溫低應變(1323~1423 K、0.01~0.30 s-1)存在η峰值。即在高溫下,η隨著應變的增加先增大后減小,這與熱激活能在高溫下容易被激發(fā)有關(guān)[32]。Han等[34]認為,不同η代表不同的微觀組織演變,一般η在0.15~0.25時,表示動態(tài)回復;在0.3~0.6時,表示動態(tài)再結(jié)晶;超過0.6時,材料可能出現(xiàn)超塑性及楔形開裂[35]。在低溫條件下η均較小(η<0.3),與低溫時鐵素體發(fā)生DRX不相符,這是因為鐵素體的層錯能高且含量較少導致組織耗散的能量較小[31]。基于
將能量耗散圖與失穩(wěn)圖疊加得到真應變?yōu)?.2條件下的熱加工圖(圖13c),在高溫低應變速率(1323~1423 K、0.01~0.1 s-1)存在η峰值,且應變下失穩(wěn)區(qū)域較小,熱加工范圍較廣。因此,試樣在大應變1.2下,在高溫中低應變速率(1323~1423 K、0.01~6.05 s-1)條件下適合進行熱加工。
(1) 應變速率為0.01 s-1時,隨溫度升高鐵素體相由DRX向DRV轉(zhuǎn)化,而隨溫度從1123 K升高至1323 K時奧氏體相由部分DRX轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆獶RX。1123 K變形時,隨應變速率由0.01增加至10 s-1時鐵素體相再結(jié)晶晶粒細化效果加強,平均晶粒尺寸減小。
(2) 低應變速率條件下,升高溫度易誘發(fā)DDRX,而高應變速率條件下易發(fā)生CDRX。在1223 K、10 s-1變形條件下,鐵素體相發(fā)生了以LAGB向HAGB轉(zhuǎn)變的CDRX。1323 K、0.1 s-1條件下,變形奧氏體相軟化以DDRX為主,同時存在CDRX。應變速率對鐵素體相DRX影響較大,而奧氏體相DRX對變形溫度較為敏感。
(3) 隨著變形溫度升高,奧氏體相組織由纖維狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀DRX晶粒,晶粒取向由(101)變形織構(gòu)逐漸向(001)和(111)再結(jié)晶織構(gòu)轉(zhuǎn)變,而鐵素體相在(001)和(111)織構(gòu)之間存在競爭關(guān)系。臨界應力(σc)和臨界應變(εc)隨著應變速率的增加和溫度的降低而增加,且εp-εc和σc-σp的擬合關(guān)系式為εc=k1εp和σc=k2σp,其中,k1=0.5496,k2=0.92102。
(4) 隨著應變的增加,失穩(wěn)區(qū)縮小,穩(wěn)定區(qū)向高溫高應變速率方向移動。在真應變?yōu)?.2大變形條件下,1323~1423 K、0.01~6.05 s-1的熱參數(shù)條件最適合熱加工。
1實驗方法
圖1
2實驗結(jié)果與討論
2.1流變曲線及熱變形組織演變
圖2
圖3
圖4
圖5
2.2兩相動態(tài)再結(jié)晶軟化機理
圖7
圖6
圖8
圖9
2.3動態(tài)再結(jié)晶臨界條件
圖10
圖11
圖12
2.4熱加工圖
圖13
3結(jié)論
來源--金屬學報