2507超級雙相不銹鋼的流變應力本構關系及熱加工圖

何 嬋， 鄒德寧， 趙 潔， 陳興潤， 錢張信

(1. 西安建筑科技大學 冶金工程學院， 陜西 西安 710055;2. 酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司， 甘肅 嘉峪關 735100)

雙相不銹鋼通常是指組織中同時含有鐵素體相和奧氏體相，并且較少相含量應不低于30%的一類具有優良耐腐蝕性能的鐵基合金[1]。并且超級雙相不銹鋼在海洋工程、石油和天然氣、化學制造等行業有著極為廣闊的應用前景。但是，由于兩相的堆垛層錯能(SFE)值和熱膨脹系數不同，導致兩相的熱變形差異很大，容易引起金屬內裂紋的產生進而增加熱加工難度，對雙相不銹鋼板材的產品質量和后續材料的深加工產生不利影響[2]。因此，掌握超級雙相不銹鋼熱變形規律對改善其熱加工性能及產品質量具有重要的指導意義。

武敏等[3]研究了在變形溫度為950～1200 ℃、應變速率為0.1～25 s-1、真應變為1的條件下2507超級雙相不銹鋼的熱變形行為與組織演變規律，發現鐵素體在各變形條件下均發生動態再結晶，而溫度是影響奧氏體再結晶的主要因素。Jong等[4]對2507超級雙相不銹鋼在變形溫度為950～1250 ℃、應變速率為0.1～10 s-1下進行熱壓縮，研究認為雙相不銹鋼的高溫流變應力受變形溫度、應變速率以及相體積分數的影響，并隨變形條件而變化。目前，對于2507超級雙相不銹鋼的熱變形行為研究主要集中在變形條件對流變曲線、兩相組織和動態軟化機制的影響等方面，而關于流變應力本構關系及熱加工圖方面的研究鮮有文獻報道。通過建立2507超級雙相不銹鋼本構方程和熱加工圖，對預測不同變形條件下試驗鋼的流變應力以及最佳熱加工區間的確定具有重要的研究意義。

本文針對2507超級雙相不銹鋼進行熱壓縮試驗研究，結合流變曲線，探討不同變形參數對熱變形行為的影響，并建立其Arrhenius本構模型。同時基于動態材料模型，構建2507超級雙相不銹鋼的熱加工圖，確定其最佳熱加工工藝區間，為熱加工工藝參數的優化提供參考，提高材料的熱加工性能，進而提高產品質量和成材率。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用2507超級雙相不銹鋼取自國內某企業工業化生產的連鑄坯，其化學成分如表1所示。高溫壓縮的試樣均取自連鑄坯等軸晶區域。

表1 2507超級雙相不銹鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

將連鑄坯等軸晶區試樣加工成φ8 mm×12 mm的圓柱試樣，在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行熱壓縮試驗。首先將試樣以20 ℃/s的加熱速率升溫至1200 ℃保溫180 s，確保試樣組織及溫度均勻，隨后以10 ℃/s的冷卻速率降溫至變形溫度，分別為950、1000、1050、1100、1150和1200 ℃，均熱30 s以保證試樣內外溫度保持一致，最后在設定的變形溫度下以恒定的應變速率(0.01、0.1、1.0和10.0 s-1)對試樣進行壓縮，變形量為0.6，具體工藝如圖1所示。最后將熱壓縮后的試樣沿著壓縮方向的中心截面進行線切割，打磨拋光后采用金相腐蝕液(20 g KOH+100 mL H2O)進行電解蝕刻，時間為5～20 s。通過光學顯微鏡(Lecia MEF-4M)對熱壓縮后安全區和失穩區的微觀組織進行觀察分析。

圖1 熱壓縮工藝示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 真應力-真應變曲線分析

圖2為不同變形條件下2507超級雙相不銹鋼的真應力-真應變曲線。由圖2可以觀察到，隨變形溫度的升高，峰值應力逐漸降低，而隨應變速率的升高，峰值應力逐漸增加。這是由于變形溫度升高，原子的遷移能力增強，位錯運動阻力減小，峰值應力減小[5]。而應變速率提高，材料所需變形周期縮短，位錯增加產生加工硬化，動態軟化的周期縮短，加工硬化作用比動態軟化作用大，峰值應力增加[6]。統計結果如表2所示。

表2 2507超級雙相不銹鋼在不同變形條件下的峰值應力值

圖2 不同應變速率條件下2507超級雙相不銹鋼的真應力-真應變曲線

由圖2(a, b)可知，在應變速率為0.01～0.1 s-1時，2507超級雙相不銹鋼的軟化機制主要以動態再結晶為主，但再結晶過程進行的不夠充分，流變應力曲線表現為流變應力達到峰值應力后，隨著應變的升高，流變應力迅速減小。由圖2(c)可知，當應變速率為1 s-1，且變形溫度小于1050 ℃時，2507試驗鋼的軟化過程主要以動態回復為主，流變應力曲線表現為流變應力到達峰值應力后，隨著應變的升高，流變應力沒有發生大幅度減小[7]。由圖2(d)可知，當應變速率為10 s-1時，所有變形溫度下均形成一個“類屈服平臺”的軟化現象，曲線表現為多峰特征，即隨著應變的增大，流變應力先逐漸增大至峰值后又降低，而后出現二次峰值后再次降低，最終趨于平緩，即出現了二次硬化。這是由于2507超級雙相不銹鋼的組織發生不連續的動態再結晶，此時動態再結晶的軟化效應與再結晶硬化效應接替進行，流變曲線表現為多峰特征的波浪形變化。

2.2 流變應力的本構關系

基于高溫蠕變理論提出的Arrhenius方程廣泛用于各種合金材料，用于描述材料流變應力、應變速率和變形溫度三者之間的復雜關系[8]，其表達式為：

(1)

對式(1)兩邊同時取自然對數，得到式(2)：

(2)

(3)

則由圖3(d)中的(1000/T)-ln[sinh(ασp)]的斜率值，可知試驗鋼的熱變形激活能Q=414.57 kJ·mol-1。

圖3 2507超級雙相不銹鋼本構方程求解關系

將計算出的α、n和Q值代入式(1)中，可計算得到試驗鋼A=3.69×1015s-1。所以2507超級雙相不銹鋼的峰值應力本構方程可表示為：

(4)

2.3 熱加工圖

基于大應變塑性變形極大值原理，熱加工圖依據Prasad等[9-10]提出的動態材料模型進行構建，具體分為能量耗散圖與失穩圖。熱變形過程中，工件在單位時間內所耗散的總能量P基于耗散結構理論，可表示為：

(5)

耗散協量G和耗散量J之比稱為應變速率敏感系數m[11]，表達式為：

(6)

能量耗散效率可表示為:

(7)

η表示材料變形過程所耗費能量的多少，η值大說明轉化的熱能多，而散失的能量少。實際情況下，η值大也未必說明材料的熱加工性能一定好，這可能是由于材料失穩時η值也大，所以造成了誤判[12]。為了避免這種現象，需要建立材料的流變失穩圖。其材料失穩判據為：

(8)

失穩因子ξ是描述材料是否發生塑性失穩的物理量，-1.0<ξ< 0時為“可能失穩區”，ξ<-1.0時則認為失穩一定發生，即“完全失穩區”[13]。

圖4為2507雙相不銹鋼在不同應變下的熱加工圖，其中彩色區域為失穩區，白色區域為安全區域。從圖4可以看出，在應變為0.5時，在高應變速率(1～10 s-1)時存在“完全失穩區”，此區域為η值較低的區域；當應變為0.8時，在高應變速率(1～10 s-1)時僅存在“可能失穩區”，而“完全失穩區”則出現在低溫(950～1000 ℃)及低應變速率(0.01 s-1)范圍，失穩最為嚴重，而在高應變速率區域的“可能失穩區”均是η值較低的區域。在高溫(1150～1200 ℃)及低應變速率(0.01 s-1) 時，隨著變形溫度的增加，其η值較低，因此也不是最佳加工區域。在應變速率為0.01～0.1 s-1、變形溫度為1060～1120 ℃時，其能量耗散效率大于30%，一般認為η在30%～60%時動態再結晶較明顯[2]，此區域高能量耗散效率表明，材料耗散更多的能量用于與動態再結晶(DRX)有關的微結構變化，而動態再結晶是在晶界和亞晶界處形核，使晶粒均勻細小，可使試驗材料具有較佳的力學性能和熱加工性能[14]。因此，2507超級雙相不銹鋼的最佳加工區域基本位于變形溫度為1060～1120 ℃、應變速率為0.01～0.1 s-1的范圍內。

圖4 不同應變條件下2507超級雙相不銹鋼的熱加工圖

2.4 安全加工區與失穩區討論

圖5為不同變形條件下2507超級雙相不銹鋼在安全區和失穩區的微觀組織，其中亮白色組織為奧氏體，暗黑色組織為鐵素體。安全區的試驗鋼取自變形溫度為1100 ℃，應變速率為0.01～0.1 s-1的試樣，如圖5(a, b)所示?？梢钥闯?，試驗鋼在安全區的變形晶粒組織均較為均勻。失穩區的試驗鋼取自變形條件為950 ℃, 10 s-1和1200 ℃，0.01 s-1的試樣，在低溫高應變速率條件下(見圖5(c))，組織局部變形，晶粒尺寸差異較大。由于應變速率較高，變形過程較快，壓縮產生的熱量持續累積，聚集在應力集中的區域，使試樣局部溫度急劇升高從而使組織發生軟化，產生局部變形。在高溫低應變速率條件下(見圖5(d))，奧氏體沿垂直于壓縮方向伸長，且奧氏體比例下降，此時塑性變形過程以鐵素體相形變為主，溫度過高則不利于動態再結晶的發生，晶粒有明顯長大的趨勢。

圖5 不同變形條件下2507超級雙相不銹鋼安全區(a,b)和失穩區(c,d)的典型微觀組織

3 結論

1) 當應變速率一定時，流變應力隨變形溫度的升高而降低，當變形溫度一定時，流變應力隨應變速率的升高而升高，在高應變速率時，流變曲線出現“類屈服平臺”，在應變速率為0.01～0.1 s-1時，2507超級雙相不銹鋼的軟化機制主要以動態再結晶為主。

3) 根據熱加工圖確定出2507超級雙相不銹鋼最佳加工區域為變形溫度1060～1120 ℃，應變速率0.01～0.1 s-1，該區域下能量耗散效率均大于30%。