時鐘平，傅萬堂

(1.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

大型發(fā)電機組其轉(zhuǎn)子護環(huán)在服役過程中承受著巨大的離心力、裝配應(yīng)力、交變應(yīng)力、附加彎曲應(yīng)力,并且需要克服強烈的應(yīng)力腐蝕環(huán)境等。對于單機容量在300 MW以上的機組，護環(huán)大都用18Mn18Cr0.5N鋼來制造。然而，在護環(huán)實際生產(chǎn)過程中，熱鍛表面開裂、晶粒粗大和混晶等問題經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重制約其制造和發(fā)展[1-2]。

時鐘平等[3]對常規(guī)高氮鉻錳奧氏體不銹鋼進(jìn)行微合金化，添加了少量的釩、鈮，系統(tǒng)研究了鑄態(tài)條件下的析出相類型和特征。在鑄造、鍛造、熱處理條件下析出的細(xì)小的碳氮化物，可抑制晶粒的快速長大；通過細(xì)晶強化和析出強化，改善鋼中析出相的類型和特性，從而顯著提高鋼的物理和化學(xué)性能[4-5]。另外，時鐘平等[3]對含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼的熱變形進(jìn)行了初步研究；結(jié)果表明，熱變形時在晶界和三叉晶界處大尺寸的富鈮氮化物周圍會形成很高的應(yīng)變梯度和很大應(yīng)變量，這會促進(jìn)動態(tài)再結(jié)晶的形核和發(fā)展。以往針對常規(guī)高氮鉻錳奧氏體不銹鋼(不含釩、鈮)的熱變形特性研究已有不少。Balachandran等[6]研究了高氮鉻錳奧氏體不銹鋼在熱鍛和熱軋后的組織演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)碳含量較低時只發(fā)生部分再結(jié)晶，并且在未發(fā)生再結(jié)晶區(qū)的晶粒內(nèi)存在形變流線。郭會光等用圓柱試樣和側(cè)面帶切槽的試樣來進(jìn)行熱壓試驗，獲得了18Mn18Cr0.48～0.63N鋼適宜鍛造的溫度區(qū)間和靜態(tài)再結(jié)晶條件[7]。王振華等[8]通過物理模擬和熱加工圖技術(shù)研究了18Mn18Cr0.5N鋼在熱變形過程中的力學(xué)行為與組織變化，建立了18Mn18Cr0.5N鋼在900～1 200 ℃及0.01～10 s-1條件下的熱變形方程及動態(tài)組織狀態(tài)圖，確定了動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)力及峰值應(yīng)力與Z參數(shù)間的定量關(guān)系，給出了動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與變形條件之間的關(guān)系。但對于釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼，其熱變形條件下的力學(xué)行為及組織演化規(guī)律，迄今還不十分清楚。

本文用物理模擬方法對含釩鈮高氮鉻錳奧氏體鋼在900～1 200 ℃和0.01～10 s-1變形時的力學(xué)行為進(jìn)行研究，分析試驗鋼的流變行為，建立其熱變形方程，并分析其顯微組織，以期為生產(chǎn)實踐提供指導(dǎo)。

1 試驗材料及方法

試驗用含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼由40 kg的感應(yīng)爐冶煉，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如表1所示。

表1 試驗鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of test steel %

熱變形試驗在Gleeble3500熱/力模擬試驗機上進(jìn)行，采用Φ8 mm×15 mm的圓柱試樣。試樣以10 ℃/s的速度從室溫加熱到1 200 ℃，保溫5 min后以10 ℃/s的速度分別冷卻到900、1 000、1 100和1 200 ℃，保溫5 s后分別以0.01、0.1、1和10 s-1的應(yīng)變速率變形至真應(yīng)變0.8，變形后迅速水冷。變形試樣沿軸線切開，研磨拋光后，用稀王水腐蝕奧氏體晶界，腐蝕時間約30 s。用金相顯微鏡觀察熱變形組織。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 流變曲線

圖1給出了含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼在900～1 200 ℃以0.01～10 s-1變形時的流變曲線。從圖中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率一定時，加工硬化率隨著變形溫度的升高而減小，加工硬化程度也變小；同時，峰值應(yīng)力降低，峰值應(yīng)變減小，變形抗力也減小。這說明提高溫度能顯著促進(jìn)試驗鋼軟化；溫度越高，軟化程度就越大，軟化速率也越快，進(jìn)而在較短時間達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變。另外，從圖1中還可以看到，應(yīng)變速率越低，流變應(yīng)力對溫度越敏感。在應(yīng)變速率為0.01 s-1時，900 ℃和1 000 ℃時的峰值應(yīng)力間相差約150 MPa。當(dāng)變形溫度相同時，試驗鋼的流變曲線受應(yīng)變速率的影響也很大；隨著應(yīng)變速率的降低，應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變減小。改變材料的變形條件，影響最明顯的是峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變。

圖1 含釩鈮高氮鉻錳奧氏體鋼的流變曲線
Fig.1 Flow curves of modified high nitrogen CrMnaustenitic steel containing V and Nb

2.2 熱變形方程

金屬材料的熱變形過程是一個熱激活過程，除化學(xué)成分外還有變形溫度、變形速率及變形量，其中影響熱變形過程最大的是變形溫度和變形速率[9]。在材料組成不變時，流變應(yīng)力σ與變形條件之間的關(guān)系可用雙曲正弦函數(shù)描述[10]：

(1)

式中，n為應(yīng)力硬化指數(shù)，A為結(jié)構(gòu)因子，α可通過計算獲得；Q為熱激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，σ為應(yīng)力水平參數(shù)，這里取峰值應(yīng)力。

對在900～1 200 ℃及0.01～10 s-1變形條件下所獲得的流變曲線進(jìn)行處理后，可得到峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和變形溫度之間的關(guān)系曲線，經(jīng)線性回歸處理后可得，A=6.62×1026，n=6.595，α=0.003 945，Q=759 kJ/mol，故含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼在900～1 200 ℃，0.01～10 s-1條件下的熱變形方程為

(2)

(3)

圖2為峰值應(yīng)力(σp)與Z參數(shù)之間的關(guān)系圖。顯然，在本研究條件下，lnZ與σp呈線性關(guān)系，并且隨著Z參數(shù)的增加，峰值應(yīng)力逐漸增大，經(jīng)過曲線擬合可得試驗鋼峰值應(yīng)力與lnZ的關(guān)系為

σp=16.9lnZ-912.6。

(4)

圖2 峰值應(yīng)力與lnZ的關(guān)系
Fig.2 Relationship between peak stress and lnZ

2.3 熱加工圖

根據(jù)動態(tài)材料學(xué)模型的觀點[12]，材料熱加工過程可看作一個能量耗散系統(tǒng)，能量的耗散取決于材料的加工流變行為，應(yīng)變速率敏感指數(shù)m決定了系統(tǒng)輸入能量在能量耗散和能量耗散協(xié)量之間的分配，因此定義了能量耗散率η，用來表示因微觀組織變化所消耗的能量與消耗總能量的比值，用下式表征：

(5)

從上式可以看出，能量耗散率η與應(yīng)變速率敏感指數(shù)m有關(guān)，是應(yīng)變量、形變溫度和應(yīng)變速率的函數(shù)，通?？梢岳L出在某一應(yīng)變量下由應(yīng)變速率和形變溫度構(gòu)成的二維等能量耗散功率η的等值線圖，即功率耗散圖。

采用熱加工理論對某一特定合金進(jìn)行高溫變形行為研究時，還需要考慮材料塑形流變失穩(wěn)準(zhǔn)則。本文采用Prasad和Kumar[13]提出的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)基于Ziegler連續(xù)性原理，當(dāng)滿足如下條件時失穩(wěn)發(fā)生：

(6)

基于以上動態(tài)材料模型理論和基本方法[14-15]及試驗鋼的流變數(shù)據(jù)，得到含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼的熱加工圖如圖3所示。陰影區(qū)表示材料流變失穩(wěn)區(qū)，等值線代表能量耗散百分?jǐn)?shù)η。

圖3 含釩鈮高氮鉻錳奧氏體鋼不同真應(yīng)變下的熱加工圖
Fig.3 Hot processing maps of modified highnitrogen CrMn austenitic steel containing V and Nb atdifferent true strain

從圖3中可以看出，功率耗散率η基本隨著溫度的升高與應(yīng)變速率的降低而增加。在圖3(a)中，功率耗散率η的極大值出現(xiàn)在1 100 ℃及0.01 s-1附近，最高可達(dá)42%。另外還可以看出，失穩(wěn)區(qū)的范圍隨著應(yīng)變量的增大不斷向高應(yīng)變速率和低溫區(qū)發(fā)展。應(yīng)變量較小時，失穩(wěn)區(qū)所占面積小。

依據(jù)熱加工圖，熱加工區(qū)域應(yīng)選擇在1 100～1 200 ℃、應(yīng)變速率在0.01～0.1 s-1之間。然而，試驗鋼的最優(yōu)加工窗口還應(yīng)結(jié)合顯微組織，考慮材料在不同區(qū)域的變形機制。

2.4 熱變形組織

圖4為含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼在不同溫度變形后的顯微組織。從900 ℃變形后的顯微組織中可以看出，變形很不均勻(圖4(a))。晶粒沿著壓縮方向被壓扁，另外一個方向看則被拉長；組織中出現(xiàn)了大量的滑移帶。在晶界和三叉晶界附近，這些晶粒易于形核的地方均沒有觀察到動態(tài)再結(jié)晶的跡象。圖4(b)對應(yīng)變形溫度為1 000 ℃時的組織，可以看到試驗鋼中已經(jīng)發(fā)生了部分動態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶分?jǐn)?shù)較小。原始奧氏體晶界上分布著細(xì)小、等軸的再結(jié)晶晶粒；這種組織又稱為項鏈動態(tài)再結(jié)晶[16]，與Wang等[17]所研究的常規(guī)高氮鉻錳奧氏體不銹鋼的再結(jié)晶過程一致。

當(dāng)變形溫度增加到1 100 ℃時，試驗鋼的動態(tài)再結(jié)晶機制仍然為項鏈?zhǔn)?，但再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)增大很多(圖4(c))。在該放大倍數(shù)條件下，并不能觀察到動態(tài)再結(jié)晶晶粒的尺寸差異。當(dāng)變形溫度為1 200 ℃時(圖4(d))，原始粗大的奧氏體晶粒已經(jīng)消失，取而代之的是等軸的動態(tài)再結(jié)晶晶粒。鋼中發(fā)生了完全動態(tài)再結(jié)晶，晶內(nèi)存在大量的退火孿晶。退火孿晶是低層錯能金屬的晶界在遷移時伴生的。從圖4中可知，當(dāng)應(yīng)變速率一定時，變形溫度升高有利于動態(tài)再結(jié)晶的開始和發(fā)展。

圖4 含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼在不同溫度下以0.1 s-1變形0.8后的顯微組織
Fig. 4 Microstructure of modified high nitrogen CrMn austenitic steel containing V and Nb after deformation at 0.1 s-1anddifferent temperatures to a strain of 0.8

在熱變形條件下，金屬材料通常對應(yīng)變速率敏感。從圖5中可以看出，隨著應(yīng)變速率增大，動態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)減少，再結(jié)晶晶粒尺寸也減小。應(yīng)變速率為0.01 s-1時，項鏈動態(tài)再結(jié)晶的特征不明顯(圖5(a))。但是，隨著應(yīng)變速率的升高，項鏈動態(tài)再結(jié)晶的特征變得十分顯著(圖5(b)和(c))。值得注意的是，應(yīng)變速率為10 s-1時的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)似乎比應(yīng)變速率為1 s-1時的更高。通常認(rèn)為，高的應(yīng)變速率不利于動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)展。這個反常的現(xiàn)象應(yīng)該與高應(yīng)變速率下的變形升溫現(xiàn)象有關(guān)。

另外，從圖4～5中還可以看出動態(tài)再結(jié)晶晶粒的尺寸與變形溫度和應(yīng)變速率有關(guān)，即隨著變形溫度的升高以及變形速率的降低而增大。動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸D與參數(shù)Z和A有關(guān)[18]。本文用截線法測量統(tǒng)計含釩鈮高氮鉻錳奧氏體鋼在不同變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸D，得到lnD與ln(Z/A)之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖5 含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼在1 100 ℃以不同速率變形0.8后的組織
Fig.5 Microstructure of modified high nitrogen CrMn austenitic steel containing V and Nb after deformation at 1 100 ℃ anddifferent strain rates to a strain of 0.8

圖6 含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與參數(shù)Z和A間的關(guān)系
Fig.6 Dependence of DRX grain size on parametersZandA

對圖6中各點進(jìn)行線性擬合后可得D與參數(shù)Z和A間的關(guān)系為

D=2.12×(Z/A)-0.162(μm)。

(7)

在相同變條件下，圖6含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸是顯著小于傳統(tǒng)18Mn18Cr0.5N鋼的(P900)。這也說明，微合金氮化物的析出會抑制晶界遷移，進(jìn)而容易獲得晶粒細(xì)小的組織。

結(jié)合熱加工圖和顯微組織可知，發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶均處在功率耗散率較高的條件下，可以發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶。根據(jù)以上結(jié)果，分析認(rèn)為含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼最優(yōu)熱加工窗口為1 150 ℃、0.01 s-1與1 150～1 200 ℃、0.1～1 s-1。

3 結(jié)論

1)測定了含釩鈮高氮鉻錳奧氏體不銹鋼在900～1 200 ℃及0.01～10 s-1變形時的流變曲線，其流變應(yīng)力和峰值應(yīng)變均隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高而增大。

3)建立了試驗鋼在不同應(yīng)變量下的熱加工圖，功率耗散率隨著應(yīng)變速率的降低與變形溫度的升高而增大。試驗鋼在1 100 ℃和0.01 s-1時，功率耗散百分?jǐn)?shù)最高可達(dá)42%。

4)高溫低應(yīng)變速率下，試驗鋼經(jīng)典動態(tài)再結(jié)晶容易發(fā)生，動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與Z和A之間的定量關(guān)系式為D=2.12×(Z/A)-0.162(μm)。

5)建議試驗鋼最佳熱加工工藝窗口為1 150～1 200 ℃和0.1～1 s-1。