304不銹鋼高溫壓縮狀態(tài)金相組織分析

王振東

(甘肅省酒泉市特種設(shè)備檢驗所,甘肅酒泉 735000)

304不銹鋼高溫壓縮狀態(tài)金相組織分析

王振東

(甘肅省酒泉市特種設(shè)備檢驗所,甘肅酒泉 735000)

本文針對對鑄態(tài)304奧氏體不銹鋼熱變形行為進(jìn)行基礎(chǔ)性研究,利用Thermechastor-W熱/力模擬試驗機,對304奧氏體不銹鋼在應(yīng)變量為50%,變形溫度為950～1250℃,應(yīng)變速率為0.01s-1～2.5 s-1進(jìn)行單道次高溫壓縮熱變形試驗,并且測定其真應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

304不銹鋼 熱變形 真應(yīng)力應(yīng)變曲線 再結(jié)晶

1 前言

奧氏體不銹鋼是在高鉻不銹鋼中添加適當(dāng)?shù)逆?鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～25%)而形成的。304是奧氏體不銹鋼的一種。本文主要針對某公司不銹鋼廠目前生產(chǎn)的304奧氏體不銹鋼進(jìn)行應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

2 實驗材料與方法

利本文試驗材料為鑄坯304奧氏體不銹鋼(簡稱304不銹鋼)。

用Thermechastor-W熱/力模擬試驗機，對304不銹鋼在應(yīng)變量為50%，變形溫度為950～1250℃，應(yīng)變速率為0．01s-1～2．5s-1進(jìn)行單道次高溫壓縮熱變形試驗，并且繪出其真應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從而為304奧氏體不銹鋼熱軋工藝提供理論依據(jù)，為不銹鋼工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

制樣方法如下：(1)根據(jù)樣品材料的加工特點：鍛軋件、脫碳、顯微組織、網(wǎng)狀組織、炭素工具鋼及彈簧鋼中的石墨、發(fā)裂等檢驗項目在材料橫截面上取樣；非金屬夾雜物、液析、帶狀組織、白點、碳化物不均勻度、鐵素體相等檢驗項目在材料縱截面上取樣；需經(jīng)熱處理進(jìn)行檢驗的項目，如本質(zhì)晶粒度、晶間腐蝕、帶狀組織、網(wǎng)狀組織、碳化物不均勻度等項目，從材料縱向還是橫向取樣可按有關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；鑄件在材料中心或心部取樣。(2)根據(jù)零件承載和失效特點：切取失效部位和完好部位的樣品。以便進(jìn)行分析對比。(3)根據(jù)特殊零件取樣相關(guān)規(guī)定：對于大件材料，火焰切割后，再用砂輪切割或電火花切割制得合格尺寸樣品。本實驗的切割方式為線切割。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 熱變形組織

動態(tài)再結(jié)晶形成的晶粒結(jié)構(gòu)與靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒結(jié)構(gòu)不同。因為動態(tài)再結(jié)晶是在熱變性過程中發(fā)生的，即在動態(tài)再結(jié)晶晶核長大的同時變形仍在繼續(xù)進(jìn)行，這樣由再結(jié)晶形成的新晶粒又發(fā)生了形變，產(chǎn)生了加工硬化，富集了新的位錯，并且開始了新的軟化過程(動態(tài)回復(fù)甚至動態(tài)再結(jié)晶)。因此就整個奧氏體變形過程來說，任一時刻，在金屬內(nèi)部總存在著變形量由零到εd的一系列晶粒，也就是說動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生就奧氏體的整體來說并不能完全消除全部的加工硬化。

3.2 變形溫度對顯微組織的影響

在不同的熱變形溫度下均發(fā)生了不同程度的動態(tài)再結(jié)晶，表明應(yīng)變值均超過了動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變值。金屬在較高的溫度下變形時，回復(fù)和再結(jié)晶可能在變形過程中相繼發(fā)生，這種回復(fù)與再結(jié)晶稱為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶；變形結(jié)束時，再結(jié)晶并未結(jié)束，如果任在高溫停留，未及時長大的再結(jié)晶晶粒將迅速長大，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。這種靜態(tài)再結(jié)晶不需要孕育期，有人稱之為準(zhǔn)動態(tài)再結(jié)晶或亞動態(tài)再結(jié)晶。為了研究動態(tài)再結(jié)晶后形成的組織，必須避免發(fā)生準(zhǔn)動態(tài)再結(jié)晶，一般是采用本論文中所采用的高溫變形后立即淬冷的方法。而采用這種方法觀察到的顯微組織具有以下特征：晶粒保持為等軸狀；晶粒大小很不均勻；晶粒呈現(xiàn)不規(guī)則的凹凸?fàn)睢?/p>

304不銹鋼在變形量為50%，當(dāng)應(yīng)變速率為1．0s-1，不同溫度下動態(tài)再結(jié)晶的微觀組織。T=950℃時，在部分被拉長的奧氏體晶界上出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒，其特征為數(shù)量少、晶粒細(xì)，這是因為變形引發(fā)的畸變能雖然足以形核，但是剩余的能量不足以使晶界繼續(xù)遷移，即晶粒無法長大；T=1000℃時，動態(tài)再結(jié)晶區(qū)域變大，這些區(qū)域出現(xiàn)的再結(jié)晶晶粒相對比較集中，并且呈明顯的等軸狀；T=1050℃時，動態(tài)再結(jié)晶區(qū)明顯擴(kuò)大，隨著溫度增加到1150℃時，等軸晶數(shù)量增多，晶粒的大小分布相對均勻，晶粒呈不規(guī)則的凹凸?fàn)睿籘=1250℃時，動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸大得多。通過以上試驗分析得出，在熱變形過程中當(dāng)應(yīng)變量大于動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時，可以通過提高變形溫度得到均勻細(xì)化的晶粒。

可見，隨變形溫度的升高，鐵素體晶粒明顯細(xì)化。這說明隨變形溫度升高，鐵素體動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶過程更充分，從而促使晶粒更細(xì)小。另外，應(yīng)變速率越大，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶過程越難發(fā)生，鐵素體晶粒也越粗大。

熱變形溫度并不是越高越好。當(dāng)T=1150℃時，動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸相對于T=1250℃時的晶粒尺寸，細(xì)小的晶粒區(qū)域變小。這是由于溫度高于某一臨界值時，再結(jié)晶過程中晶粒長大速度比形核速度快，高溫下晶粒通過相互吞噬而長大。

綜上所述，在一定的應(yīng)變量和變形速率下，溫度越高越有利于動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

3.3 變形速率對顯微組織的影響

當(dāng)變形溫度和變形量一定時，應(yīng)變速率越大，越有利于動態(tài)再結(jié)晶的形核和長大。這是因為應(yīng)變速率與位錯密度增長速率成正比，應(yīng)變速率越大則位錯密度增長越大，處于晶界再結(jié)晶的驅(qū)動力就越大，越容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，并且等軸晶分布不均勻，當(dāng)應(yīng)變速率低時，試樣所承受的變形功比較均勻的轉(zhuǎn)化成動態(tài)再結(jié)晶的能量，從而促使晶粒的細(xì)化，并且均勻的分布。

動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒尺寸與變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度等因素有關(guān)。降低變形溫度、提高應(yīng)變速率會使動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒變小，而細(xì)小的晶粒組織具有更高的變形抗力。

因此，通過控制熱加工變形的溫度、速度和變形量，就可以改善材料的組織和力學(xué)性能。

4 結(jié)語

(1)溫度對真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響。304奧氏體不銹鋼的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線具有以下規(guī)律：在變形開始階段，即應(yīng)變較小時，曲線斜率大，應(yīng)力上升快，存在明顯的加工硬化，而應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增大到某一峰值；進(jìn)一步增大應(yīng)變，流變應(yīng)力基本不隨應(yīng)變的增大而發(fā)生變化，即進(jìn)入所謂的穩(wěn)態(tài)流動階段。

(2)溫度對熱變形組織的影響。304奧氏體不銹鋼溫度越高(T=1250℃)，發(fā)生了再結(jié)晶；溫度越低(T=950℃)，動態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動力越小，直至完全不發(fā)生再結(jié)晶，只觀察到嚴(yán)重畸變的組織。

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