J4節(jié)鎳奧氏體不銹鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的研究

魏新鵬

（福建吳航不銹鋼制品有限公司，福建 福州 350200）

J4節(jié)鎳奧氏體不銹鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的研究

魏新鵬

（福建吳航不銹鋼制品有限公司，福建 福州 350200）

通過在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫壓縮試驗(yàn)，研究了變形工藝參數(shù)對(duì)節(jié)鎳奧氏體不銹鋼J4動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響。結(jié)果表明，應(yīng)變率越小、變形溫度越高、應(yīng)變量越大，J4鋼越易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。J4 鋼在ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃時(shí)，將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在ε˙=0.1s-1、T=950℃～1200℃時(shí)，只能發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶峰值應(yīng)變?chǔ)舙≥0.12、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠≥0.4。

材料實(shí)驗(yàn)；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；不銹鋼；研究

1 引言

節(jié)鎳奧氏體不銹鋼以錳和氮代替部分鎳，可以降低生產(chǎn)成本，同時(shí)又具有不銹鋼的特點(diǎn)，因而得到業(yè)界的青睞。加入錳和氮的不銹鋼性能與常規(guī)的Cr-Ni型奧氏體不銹鋼相比有一定的差異[1]，在熱連軋過程中金屬將發(fā)生位錯(cuò)增殖引起的加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶帶來的軟化兩個(gè)矛盾過程。這兩個(gè)過程也是影響產(chǎn)品組織性能、質(zhì)量和熱軋工藝的關(guān)鍵因素。然而，這兩個(gè)過程會(huì)隨應(yīng)變量、應(yīng)變速率、軋制溫度的不同而發(fā)生主次的轉(zhuǎn)化[2，3]。本文以節(jié)鎳奧氏體不銹鋼J4鋼為研究對(duì)象，利用單道次壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)其在熱變形過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行了研究，為該類鋼的組織與性能預(yù)報(bào)和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)選用節(jié)鎳奧氏體不銹鋼——J4鋼，材料從熱連軋鋼帶用的連鑄坯料上截取，加工成?8mm×12mm壓縮試樣。材料化學(xué)成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

實(shí)驗(yàn)在GLEEBLE-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫壓縮變形，實(shí)驗(yàn)條件選用：變形溫度1250℃、1200℃、1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃，應(yīng)變速率 0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1，真應(yīng)變 0～0.9。試樣在真空下以10℃/s的速度加熱至1200℃，保溫3min，然后以5℃/s的速度降溫至變形溫度并保溫30s，最后在變形溫度下壓縮。試樣變形結(jié)束后迅速淬火以保留變形結(jié)束瞬間的再結(jié)晶組織，然后將試樣沿軸向切開、磨拋、腐蝕后對(duì)試樣中部進(jìn)行金相分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

節(jié)鎳奧氏體不銹鋼J4在不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示。曲線表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶兩種不同的類型。圖1a、b所示，曲線逐漸增大，達(dá)到峰值后開始下降，然后保持穩(wěn)定。圖2描述了該過程中金相組織的演變歷程。圖2a顯示：變形初期，晶粒被拉長但大小不變，說明此時(shí)僅發(fā)生位錯(cuò)增值能量累積的加工硬化而沒有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，故應(yīng)力隨應(yīng)變幾乎線性增大。圖2b顯示，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到一定值（臨界應(yīng)變?chǔ)與，實(shí)踐中常用應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)變峰值應(yīng)變 εp代替 εc，εc?0.65εp）后發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[4]。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起位錯(cuò)的消減，加工硬化被削弱，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L速度變緩。圖2c顯示，當(dāng)應(yīng)變量增大到穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠時(shí)，金屬內(nèi)發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的位錯(cuò)消減速度等于變形帶來的位錯(cuò)增值速度，金屬內(nèi)部處于動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)晶穩(wěn)態(tài)，因此，應(yīng)力不再隨應(yīng)變?cè)龃蠖欠€(wěn)定在一定水平。圖1a、b顯現(xiàn)了典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征。從圖中可以看出，ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃的變形條件下，J4鋼將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。與此相區(qū)別，圖1c中當(dāng)ε˙=0.1s-1，溫度 T=950℃～1200℃時(shí)，曲線線性的增大到一定值后逐漸保持穩(wěn)定。這是因?yàn)椋鹤冃纬跗冢瑯又饕l(fā)生位錯(cuò)增值累積能量的加工硬化，當(dāng)能量累積到一定值后僅誘發(fā)了動(dòng)態(tài)回復(fù)，因變形帶來的位錯(cuò)增值速度與動(dòng)態(tài)回復(fù)引起的位錯(cuò)消減速度相等，應(yīng)力—應(yīng)變曲線就穩(wěn)定在一定值，即動(dòng)態(tài)回復(fù)型曲線。由于動(dòng)態(tài)回復(fù)引起的位錯(cuò)消減速度低于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)，所以，應(yīng)力—應(yīng)變曲線逐漸增大到最大值后沒有下降的階段，即穩(wěn)定在一定值。

從上述分析知，動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶只有在金屬發(fā)生一定變形并儲(chǔ)存足夠能量后才會(huì)發(fā)生，而這一變形量又隨應(yīng)變速率和溫度的不同而異。

3.2 應(yīng)變率和應(yīng)變量對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響

圖3是1250℃時(shí)不同應(yīng)變率下隨應(yīng)變量的增加動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的變化曲線。由圖可見，同一溫度和應(yīng)變率下應(yīng)變—?jiǎng)討B(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)曲線呈S型：應(yīng)變較小時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)亦較小；應(yīng)變?cè)龅降侥骋粩?shù)值后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)迅速增大，最后穩(wěn)定在最大值。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)開始快速增大和剛到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變即分別為前述的臨界應(yīng)變?chǔ)與和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠。比較不同應(yīng)變率下的三條曲線發(fā)現(xiàn)：應(yīng)變率越小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變?chǔ)與和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠亦較小，表明應(yīng)變率越小越易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；此外，應(yīng)變率越小上升階段曲線也越“平緩”，這是因?yàn)榈蛻?yīng)變率下，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的同時(shí)金屬內(nèi)部亦有足夠的時(shí)間更多的通過動(dòng)態(tài)回復(fù)釋放變形能[5]。這些現(xiàn)象說明，要想誘發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,必須使金屬產(chǎn)生足量變形，對(duì) J4 鋼來說，其臨界應(yīng)變 εc＞0.12，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變 εs＞0.4。

3.3 應(yīng)變率和溫度對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響

溫度是影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生與否的決定因素之一，它主要通過影響原子擴(kuò)散速度和提供擴(kuò)散激活能來影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。而原子擴(kuò)散是時(shí)間的函數(shù)，即受變形速度的影響。為綜合反映溫度和應(yīng)變率的作用，引入溫度補(bǔ)償應(yīng)變率Zenner-Hollomon參數(shù)，其定義見式（1）[6]：

式中：Qdef——?jiǎng)討B(tài)再結(jié)晶激活能（對(duì)確定材料為一常數(shù)）；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——溫度。

圖4是Z參數(shù)隨應(yīng)變變化而劃分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域圖，該圖同樣應(yīng)證了臨界應(yīng)變?chǔ)與和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠的存在。此外，從圖中可見：要使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶易發(fā)生，即在較小的臨界應(yīng)變?chǔ)與和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠下發(fā)生，Z參數(shù)值也應(yīng)越小（lnZ越小）。對(duì)一確定的Z值，要想Z值小，ε˙較小時(shí)，T 亦可較小；ε˙較大時(shí)，T 必須較大。這說明，低應(yīng)變率時(shí)，可以在較低溫度下誘發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；而高應(yīng)變率時(shí)，只有在較高溫度下才能誘發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

4 結(jié)論

（1）節(jié)鎳奧氏體不銹鋼 J4 鋼在ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃時(shí)，將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；而當(dāng)ε˙=0.1s-1，溫度 T=950℃～1200℃時(shí)，只能發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。

（2）J4鋼發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的峰值應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變分別為：εp≥0.12，εs≥0.4。

（3）隨應(yīng)變率降低，J4鋼發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的起始溫度和臨界應(yīng)變減小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更易發(fā)生；而應(yīng)變率較大時(shí)，J4鋼只能在較高溫度較大應(yīng)變下，才能誘發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶或僅發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。

[1] 許淳淳，張新生，胡 鋼.塑性變形對(duì)AISI304不銹鋼組織及耐蝕性的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2003，6（54）:790-795.

[2] 張 鋒，李永堂，齊會(huì)萍，等.環(huán)形鑄坯熱輾擴(kuò)成形微觀組織演變規(guī)律研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（2）:41-42.

[3] 陳明明，何文武，劉艷光，陳慧琴.316LN奧氏體不銹鋼亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（4）:83-86.

[4] MCqueen H J，Ryan N D.Constitutive analysis in hot working[J].Mater Sci Eng，2002，A322:43.

[5] Medina S F，Hernandez C A.Modelling of the dynamic recrystallization of austenite in low alloy and microalloyed steels[J].Acta Mater，1996，44（1）:165.

[6] MCqueen H J，Yue S，Ryan N D，et al.Hot working characteristics of steels in austenit1ic state[J].Mater Proc Techn，1995，（53）:293.

Research on dynamic re-crystallization behaviors of J4 low nickel austenite stainless steel

WEI Xinpeng
（Fujian WuHang Stainless Steel Products Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350200，F(xiàn)ujian China）

The influence of deformation process parameters on dynamic re-crystallization of J4 low nickel austenite stainless steel has been investigated by isothermal compression test on Gleeble-1500D thermal simulator.The results show that the dynamic re-crystallization rate of J4 steel increases with smaller strain rate and bigger deformation temperature and strain.Dynamic re-crystallization of J4 steel occurs at the following conditions of deformation:＜0.1s-1，T ≥950℃ and=0.1s-1，T ＞1200℃ .Only dynamic recovery occurs at strain rate of 0.1s-1and T=950℃～1200℃.The dynamic re-crystallization strain fell in the range εp≥0.12 and εs≥0.4.

J4；Process parameter；Dynamic re-crystallization；Dynamic recovery

TG111.7

B

1672－0121（2011）06－0094－03

2011-08-29

魏新鵬，男，工程師，碩士在讀，從事金屬成形技術(shù)及理論研究