P550奧氏體不銹鋼的熱變形行為研究

敖 影 周燦棟

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 200940）

P550奧氏體不銹鋼的熱變形行為研究

敖 影 周燦棟

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 200940）

利用Thermecmastor-Z熱模擬試驗機對P550奧氏體不銹鋼進行了高溫熱壓縮試驗，研究該鋼在850～1 150℃、應變速率0.1～20 s－1條件下的熱變形行為。結(jié)果表明：P550不銹鋼的流變應力隨著變形溫度的降低和應變速率的提高而增大；隨著變形溫度的升高和應變速率的增加，高溫鐵素體的數(shù)量減少、尺寸減小，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的晶粒數(shù)量增多；計算獲得該鋼種的熱變形方程為＝5.5e30［sinh（0.004 3σ）］12.38exp（－794／RT）；依據(jù)熱加工圖得出該鋼種熱加工的流變失穩(wěn)區(qū)為：T＝900～1 100℃，＝0.1～1 s－1，該區(qū)域為不均勻塑性變形區(qū)，在熱加工過程中應予以避免。

P550鋼 熱變形 再結(jié)晶 熱加工圖

目前國內(nèi)外主要使用Cr-Mn-Ni-N系列高氮奧氏體不銹鋼作為鉆鋌用材。高N奧氏體不銹鋼P550以其優(yōu)良的強韌性、超低的磁導率和極佳的抗腐蝕性能成為石油開采行業(yè)鉆鋌、鉆具的首選之材。P550不銹鋼的生產(chǎn)工序為：電爐煉鋼→電渣重熔→快鍛開坯→坯料精整→徑鍛成材。由于鋼中含有大量的合金元素，P550鋼的熱加工窗口非常窄，鍛造過程易出現(xiàn)組織不均勻、混晶等而造成材料脆性大易產(chǎn)生裂紋的問題［1］。因此，需要通過合理的熱加工工藝試驗來摸索適當?shù)膮?shù)，進而控制鍛態(tài)材料的晶粒尺寸和保證材料力學性能［2］，而目前對該材料熱加工方面的研究報道較少。基于上述考慮，亟需研究P550鋼的熱變形行為及組織演變規(guī)律，為鑄錠開坯和鍛造工藝提供指導。

1 試驗材料和方法

試驗所用P550奧氏體不銹鋼取自生產(chǎn)線鍛造開坯固溶后，材料的化學成分見表1。熱壓縮試樣尺寸φ8 mm×12 mm，在Thermecmastor-Z熱模擬試驗機上進行單道次壓縮試驗，單道次壓縮的工藝參數(shù)如表2所示。將試樣以10℃／s的速率加熱到T0＝1 200℃保溫10 min后，再以10℃／s的速率冷卻到變形溫度保溫1 min后進行壓縮變形。熱變形完成后立即噴氬氣冷卻，以保留高溫變形組織。變形后的試樣采用線切割的方法沿壓縮軸方向?qū)ζ剩?jīng)磨拋后用王水腐蝕液侵蝕，并在金相顯微鏡下觀察腐蝕后的組織。

2 試驗結(jié)果與分析

表1 P550鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition of P550 steel（mass fraction） %

表2 單道次壓縮變形工藝參數(shù)Table 2 Parameters of single-pass compression experiments

2.1 真應力-真應變曲線

流變曲線中應力隨應變的變化在一定程度上反映了變形材料組織的變化規(guī)律［3］。不同溫度和應變速率下的真應力－真應變曲線如圖1所示。從圖中可以看出，當應變速率小于1 s－1時，流變應力在熱壓縮的初始階段隨應變的增加迅速增大，呈現(xiàn)出加工硬化的特性；當流變應力大于某一應力值后，流變應力的增速降低并逐漸趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)動態(tài)回復的特性；隨著真應變的不斷增加，流變應力又開始逐漸增加，再次出現(xiàn)加工硬化，且硬化效果與變形溫度成反比。當應變速率高于10 s－1時，加工硬化階段和動態(tài)回復階段與前述表現(xiàn)一致，只是隨著真應變的增大，流變應力達到峰值應力后會逐漸趨于穩(wěn)定或有所下降，這是顯微組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化過程的一種表現(xiàn)，且軟化效果與變形溫度成正比。綜上所述，P550奧氏體不銹鋼在熱加工過程中對應變速率非常敏感，應變速率和溫度越高，動態(tài)軟化效果越明顯。

圖1 P550奧氏體不銹鋼的單道次壓縮真應力-真應變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of P550 austenitic stainless steel during single-pass compression deformation

圖2所示為不同溫度和應變速率下熱變形微觀組織。從圖中可以看出，相同應變速率下，變形溫度越高，越容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。當應變速率低于1 s－1時，組織中變形γ晶粒數(shù)量較多，且只能在γ／高溫δ相界處觀察到部分細小的再結(jié)晶晶粒，形成“項鏈組織”，該組織是流變失穩(wěn)的一種表現(xiàn)［4］；當應變速率大于10 s－1、且變形溫度較高時，變形γ晶粒數(shù)量減少，動態(tài)再結(jié)晶較完全，獲得了理想的組織。

2.2 熱變形方程

圖2 P550奧氏體不銹鋼單道次壓縮后的顯微組織Fig.2 Microstructures of P550 austenitic stainless steel after single-pass compression deformation

從以上對真應力-真應變曲線的定性分析可知，變形溫度和應變速率對動態(tài)再結(jié)晶行為的影響較大，特別是對流變應力的影響很大，而這種影響可以通過Z（Zener-Hollomon）參數(shù)來定量描述。

通常，根據(jù)流變應力的高低，流變應力、應變速率和溫度T之間的函數(shù)關(guān)系不同。當應力比較低時（一般指小于80 MPa），函數(shù)的表達式如式（2）所示，呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系；當應力相對較高時（一般指大于120 MPa）則采用式（3），呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系。除此以外，還有一種呈現(xiàn)雙曲正弦規(guī)律的表達式如式（4），它對流變應力的高低沒有限制，并且適用于多種材料。這個函數(shù)式是由Sellars與Tegart［5］提出的，被稱為Arrhenius本構(gòu)模型。

式中，A′、A″、A、β、α均為材料常數(shù)，n、n′為應力指數(shù)。其中β、α和n′這三個常數(shù)間存在一定關(guān)系，α≈β／n′，本文流變應力采用峰值應力。為了計算不同變形條件下的Z參數(shù)值，準確計算試驗鋼的Q值非常關(guān)鍵。本文通過Arrhenius本構(gòu)方程來計算Q值。首先對式（4）等號兩邊同時取自然對數(shù)得：

采用同樣的線性擬合方法可以計算得到n值與Q值，圖4（a）為不同變形溫度下ln與ln［sinh（ασp）］之間的關(guān)系，對擬合直線斜率求平均值得n＝12.38。圖4（b）為不同應變速率下ln［sinh（ασp）］

經(jīng)轉(zhuǎn)變，則Q值可以通過式（6）計算：與1／T之間的關(guān)系，求得平均斜率后，通過式（6）獲得試驗鋼在所設定變形區(qū)間的熱變形激活能Q＝794 kJ／mol。將Q值代入式（1）求出Z值，繪出ln［sinh（ασp）］與ln Z之間的關(guān)系曲線如圖5所示，經(jīng)過一次函數(shù)擬合回歸，求得材料常數(shù)A＝5.5e30s－1。可以看出ln［sinh（ασp）］與lnZ之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，隨著Z值的增大，試驗鋼的熱變形峰值應力也相應提高，Z參數(shù)綜合描述了在一定變形溫度及變形速率條件下P550鋼的熱變形行為。Z值越小，位錯和晶界的遷移性越高，變形過程中動態(tài)再結(jié)晶傾向越大，動態(tài)再結(jié)晶組織發(fā)展越充分，對應圖2中變形溫度1 150℃、變形速率大于10 s－1的組織。反之，Z值越大，動態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動力越小，直至完全不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，因而對應較大的Z值時，即變形溫度900℃、應變速率為0.1～20 s－1時，晶粒畸變嚴重（見圖2）。

圖3 β值與n′值的確定方法Fig.3 Determination ofβand n′values

圖4 n值與Q值的確定方法Fig.4 Determination of n and Q values

圖5 P550鋼的峰值應力與Z參數(shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between peak stress and Z parameter of P550 steel

綜上所述，可以得到P550鋼在應變速率0.1～20 s－1、變形溫度900～1 150℃條件下的熱變形方程和Z參數(shù)表達式為：

2.3 熱加工圖

熱加工圖能夠反映在各種變形溫度和應變速率下材料高溫變形時內(nèi)部微觀組織的變化，并且可對材料的可加工性進行評估［5］。根據(jù)DMM理論［6］，變形體的能量耗散由兩部分組成，可用式（9）表示：

式中，P為熱加工過程中的單位體積所吸收的總能量，可分為兩部分；G為塑性變形產(chǎn)生的粘塑性熱；J是變形過程中因組織演化而耗散的能量，如動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶、相變等有關(guān)的功率耗散。這兩種能量所占比例由材料的應變速率敏感指數(shù)m決定，即：

通常把J／Jmax定義為功率耗散率，其數(shù)學表達式為：

在一定的應變下，將功率耗散率對溫度和應變速率作圖，可得到功率耗散率的等值曲線圖，叫做功率耗散圖。現(xiàn)基于Prasad熱加工失穩(wěn)判據(jù)［7］：

建立流變失穩(wěn)圖，滿足該判據(jù)時材料可能發(fā)生流變失穩(wěn)。將功率耗散圖與失穩(wěn)圖疊加，即可得到合金高溫塑性變形加工圖。

根據(jù)上述原理，建立P550奧氏體不銹鋼的熱加工圖，如圖6所示。圖中等值線上的數(shù)字代表功率耗散率，深色區(qū)域為流變失穩(wěn)區(qū)。由圖6可見，當變形溫度高于1 050℃時，功率耗散率隨著應變速率的降低而升高；當變形溫度低于1 050℃時，功率耗散率隨著應變速率的增大而增大。因此流變失穩(wěn)區(qū)為：T＝900～1 100℃，＝0.1～1 s－1，結(jié)合圖2中900℃、0.1～1 s－1條件下的顯微組織可以看出，該區(qū)域為不均勻塑性變形區(qū)，在熱加工過程中應予以避免。

3 結(jié)論

（1）單道次熱壓縮試驗中，當應變速率大于10 s－1且變形溫度較高時，流變應力達到峰值應力后會逐漸趨于穩(wěn)定或有所下降，微觀組織上，變形γ晶粒數(shù)量減少，動態(tài)再結(jié)晶較完全，獲得了理想的組織。（2）試驗P550奧氏體不銹鋼的熱變形激活能為794 kJ／mol，熱變形方程為：＝5.5e30［sinh

圖6 真應變?yōu)?.7時P550奧氏體不銹鋼的熱加工圖Fig.6 Hot processing map of P550 austenitic stainless steel obtained at true strain of 0.7

（3）結(jié)合P550鋼的熱加工圖和顯微組織分析可知，在流變失穩(wěn)區(qū)（T＝900～1 100℃，＝0.1～1 s－1）的微觀組織表現(xiàn)為局部變形帶和“項鏈組織”，該區(qū)域的變形為不均勻塑性變形，在熱加工過程中應予以避免。

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收修改稿日期：2016-07-08

Thermal Deformation Behavior of P550 Austentic Stainless Steel

Ao Ying Zhou Candong
（Research Institute，Baoshan Iron＆Steel Co.，Ltd.，Shanghai200940，China）

Thermal deformation characteristics of P550 austenitic stainless steel were studied by hot compression test at the deformation temperature between 850℃and 1 150℃with the strain rate from 0.1 s－1to 20 s－1by using the Thermecmastor-Z thermal simulation test machine.The results showed that the flow stress of P550 stainless steel increased with the decrease of deformation temperature and the increase of strain rate.With the increasing of deformation temperature and strain rate，the amountand size of high temperature ferrite decreased and the amountof dynamic recrystallization grains increased.Its hot deformation equation was calculated as＝5.5e30［sinh（0.004 3σ）］12.38exp（－794／RT）.The instable zonesof flow behavior could be recognized as temperaturesbetween 900℃and 1 100℃with the strain rate from 0.1 s－1to1 s－1according to the hot processingmaps.This zonewas the non-uniform plastic deformation area，which should be avoided in hotworking process.

P550 steel，thermal deformation，recrystallization，hot processingmap

敖影，女，助理工程師，主要從事含氮奧氏體不銹鋼的研發(fā)，Email：aoying＠baosteel.com