雙相不銹鋼熱變形過程中材料性能的研究

鋼鐵作為我國國民經(jīng)濟的重要支撐，在能源、環(huán)境、航空航天、國防以及國家重大工程等領(lǐng)域具有不可替代的作用。微觀組織的演化過程會影響奧氏體和鐵素體的顯微組織狀態(tài)，對材料內(nèi)部的晶粒尺寸分布起到?jīng)Q定性的作用，因此一定程度上鋼的力學(xué)性能會受到影響。雙相鋼較高的強度和疲勞強、良好的抗腐蝕能力和可焊性使其在深海管道、石油化工、造船造紙等方面的應(yīng)用十分廣泛。雙相鋼在熱變形過程中可能會因為熱處理工藝的不當致使剛的性能惡化，降低鋼材的屈服強度和塑韌性，影響鋼的質(zhì)量和安全性。因此，研究雙相鋼在熱變形過程中材料的性能，從而掌握性能與相組織結(jié)構(gòu)、熱變形參數(shù)三者之間的變化規(guī)律，并應(yīng)用到實踐中，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。我國對雙相鋼熱變形行為的研究起步較晚，雖然取得了一定的結(jié)果，但是結(jié)論還未達到一致。本次通過研究雙相鋼在不同的熱變形參數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析雙相鋼在這些變形參數(shù)下的材料性能。

1  試驗材料及方法

試驗所用材料為雙相不銹鋼。根據(jù)試驗安排，將樣坯在線切割機上切割加工為尺寸φ10mm×15mm的圓柱形試樣，用不同型號的砂紙將試樣打磨到端面光滑無劃痕。將準備好的試樣安裝在Gleeble-1500熱模擬試驗機上，根據(jù)不同的工藝參數(shù)依次進行單道次壓縮試驗。將試樣放入試驗機之前，在試樣兩端涂抹上粘稠狀石墨，其目的在于避免試樣和壓頭直接接觸，減少試樣與壓頭之間的摩擦并起到緩沖作用。試驗進行時，為避免試樣表面在升溫過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，在樣品室通入保護氣體-氬氣。將試樣以10℃/s的速度加熱到1200℃進行奧氏體化，保溫5分鐘以獲得奧氏體晶粒，然后以10℃/s的速度冷卻至變形溫度，保溫30s以消除試樣內(nèi)部溫度梯度，然后在應(yīng)變量為0.8時，以不同的應(yīng)變速率進行壓縮變形。變形完成后對試樣水淬。具體試驗方案如圖1所示： 

圖1  單道次熱壓縮試驗工藝示意圖

具體實驗工藝參數(shù)如表1所示：

表1  熱壓縮工藝試驗參數(shù)

2  結(jié)果分析

2.1  不同應(yīng)變速率

圖2表示變形溫度不變時，不同應(yīng)變速率時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖2中可以看出，變形溫度一定時，不同的應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都出現(xiàn)了峰值應(yīng)力，表明雙相鋼在熱變形工程中出現(xiàn)加工硬化。曲線出現(xiàn)最高點后呈下降趨勢，為DRX現(xiàn)象。最后，曲線趨于平緩，存在穩(wěn)定變形區(qū)域，雙相鋼產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形，此時材料的內(nèi)部組織變化穩(wěn)定。應(yīng)變速率越大，對應(yīng)的應(yīng)力值越大，材料的臨界剪切力越大，峰值應(yīng)力越大。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化是因為雙相鋼在熱變形過程中的軟化機制是由DRX與DRV共同作用的。當應(yīng)變速率較小時，變形時所需的應(yīng)力較低，變形開始于較軟的且層錯能較低的鐵素體。因此變形主要發(fā)生在鐵素體相，軟化機制以DRV為主。應(yīng)變速率變大，變形的速率也贈大，此時鐵素體的DRV來不及進行，變形主要在奧氏體中進行，軟化機制以DRX為主。 

圖2  變形溫度一定時不同應(yīng)變速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2  不同變形溫度

圖3表示應(yīng)變速率不變時，不同變形溫度時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3 可以看出，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中也觀察到了峰值應(yīng)力，這表明應(yīng)變速率不變時，不同的變形溫度下的雙相鋼也出現(xiàn)加工硬化。曲線因DRX在峰值后也呈下降趨勢。當應(yīng)變速率一定時，變形溫度越高，流動應(yīng)力越小，加工硬化率越低，峰值應(yīng)力越小。隨著變形溫度的升高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)區(qū)域變長。這是因為材料在變形過程中的軟化機制與加工硬化基本平衡，相互抵消，接近剛塑性模型。應(yīng)變速率確定時，變形溫度越低對應(yīng)的應(yīng)力值越大。當變形溫度較低時，在熱變形過程中鐵素體相向奧氏體相轉(zhuǎn)變占主導(dǎo)地位，材料中的奧氏體含量增加，軟化機制為DRX；隨著溫度的升高，材料中以奧氏體相向鐵素體相轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，此時軟化機制以DRV為主。 

圖5  應(yīng)變速率一定時不同變形溫度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 

觀察圖3和圖4 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出：變形初始階段，曲線呈直線上升趨勢，此時雙相鋼處于彈性變形階段。隨著應(yīng)變量的增加，超過彈性范圍，曲線呈拋物線形狀，此時雙相鋼開始塑性變形，產(chǎn)生加工硬化。這期間，曲線都出現(xiàn)峰值應(yīng)力，表現(xiàn)出DRX現(xiàn)象，提高了雙相鋼的熱塑性。隨著應(yīng)變量的進一步增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化平整，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變形區(qū)域，雙相鋼產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的塑性變形，這是由于材料在變形過程中軟化和加工硬化過程基本平衡，相互抵消，接近剛塑性模型。

3  結(jié)語

高溫變形過程中，當達到一定變形量后，流動應(yīng)力基本保持不變，呈穩(wěn)態(tài)變形區(qū)域。變形溫度降低和應(yīng)變速率增大，流變應(yīng)力會增大；變形溫度越高或應(yīng)變速率越小，穩(wěn)態(tài)區(qū)域會越長。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線達到一定的應(yīng)變量后開始下降并趨于平緩，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)區(qū)域，雙相不銹鋼在變形過程中產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的塑性變形，這是由于材料在熱變形過程中動態(tài)軟化與加工硬化過程基本平衡，相互抵消，接近剛塑性模型。

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