高溫、高應變率下022Cr18Ni14Mo2不銹鋼流變行為的試驗研究

摘要借助剖分式 Hopkinson 壓桿試驗平臺，在應變率為2000 s-1～5000 s-1，溫度為25℃～400℃的范圍內對022Cr18Ni14Mo2不銹鋼進行動態沖擊壓縮試驗，以探討外界溫度、加載速率對其流變行為的影響規律和作用機理。結果表明：試樣流動應力、應變率敏感性、應變硬化和溫度靈敏性與應變、溫度、應變率密切相關。在恒定的溫度下，流動應力、應變硬化效應、應變率敏感性隨著應變率的增加而增加。在恒定的應變率下，溫度靈敏性隨著溫度的升高而增強，試樣表現出顯著的熱軟化效應。應變率敏感性、應變硬化效應呈現出隨溫度升高而減弱的現象。此外，經掃描電鏡（ SEM ）進行微觀組織觀察表明：晶粒內出現以變形孿晶為主，并夾雜一定位錯或層錯的變形帶，在高應變率或低溫條件下晶粒內變形帶數目較多。晶粒內的變形孿晶有助于調節晶粒間的變形程度，提高了高應變率下試樣變形的均勻性。

關鍵詞應變率敏感性溫度靈敏性變形帶

中圖分類號TG115.5

AbstractTo explore the influence of external temperature and loading rate on itsrheological behavior and mechanism ，the dynamic impact compression test was conducted on 022Cr18Ni14Mo2 stainless steel by using the split Hopkinson compression bar test platformat at 2000 s-1～5000 s-1and 25℃～400℃. The resultsshow that the flow stress ， strain ratesensitivity ， strain hardening and temperaturesensitivityof thesamplearecloselyrelatedtostrain ， temperatureandstrainrate . Ataconstant temperature ， the flow stress ， strain hardening effect ， and strain rate sensitivity increase with the increase of strain rate . At a constant strain rate ， the temperature sensitivity increases with the increase of temperature ， and the sample exhibits a significant thermal softening effect. The strain rate sensitivity and strain hardening effect appear to weaken with increasing temperature . In addition ， the microstructure observation by scanning electron microscope （ SEM ） shows that deformation twins are mainly present in the grains ， and a deformation zone with positioning or stacking faults is present in the grains . Under high strain rate or low temperature conditions ， the number of deformation zone in the grain is more . The deformation twins within the grains help to adjust the degree of deformation between the grains and improve the uniformity of sample deformation at high strain rate .

Key wordsStrain rate sensitivity;Temperature sensitivity;Deformation zone

Corresponding author ： YI XiangBin ， E-mail ： yibin2003@126.com ， Tel ：+86-931-2861344， Fax ：+86-931-2861344

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Manuscript received 20210518in revised form 20210622.

引言

不銹鋼因具有優良的機械性能如：優異的耐腐蝕性、良好的可焊接性、高延展性和應變硬化特性[1-4]。在建筑、核電、航空等領域得到廣泛的應用。然而，該材料制備的工程結構件在整個生命周期內都承受著不同溫度下、不同程度的沖擊載荷的作用，表現出不同的應力響應行為。 Hopkinson 壓桿試驗被廣泛應用于高溫、高應變率下的材料動態力學性能測試[5-6]。為此，本文運用剖分 Hopkinson 壓桿試驗系統，探究022Cr18Ni14Mo2高應變率、高溫下的流變特性，分析試樣在承受高溫、高應變率后的顯微組織演變特點，揭示熱-力耦合下高速變形機理，為分析該材料的成形工藝性能，構建塑變本構模型及成形工藝過程的數值模擬提供了一定的理論依據和技術支撐。

有關不銹鋼的動態力學性能，國內外學者在準靜態和動態下，從熱工藝、顯微組織和力學性能方面進行了一定的研究[7-12]。文獻[13]418-421對0Cr17 Ni4Cu4Nb 不銹鋼的動態力學性能進行研究，表明其具有應變效應低，但屈服強度高的特點。文獻[14]研究了0Cr18Ni10Ti 焊接頭的動態力學性能，結果表明其具有較強的熱軟化和應變強化效應，并依據熱激活位錯運動對上述現象進行了一定的解釋。文獻[15]研究了溫度、應變率對醫用316L 不銹鋼的力學性能的影響，指出其動態力學行為和微觀組織結構演變均與應變率、溫度有關，并對試樣斷裂表面進行 SEM 觀察，其特征為穿晶狀的酒窩狀結構。上述研究大多數均在準靜態、低溫或較窄應變率范圍內展開的，較少涉及到應變率、溫度對試樣沖擊后的微觀組織演變分析，研究成果難以應用于材料結構設計，成型工藝分析，塑變本構關系的構建及數值模擬。因此，本文借助剖分式 Hopkinson 壓桿試驗裝置，對022Cr18 Ni 14Mo2不銹鋼進行了動態壓縮性能試驗研究，分析了其在高溫度、高應變率下流動應力響應行為，探討了流動應力對溫度、應變率的依賴程度;運用場發射掃描電子顯微鏡（ FEI Inspect F50）對其顯微組織進行觀察，剖析了其顯微組織的演變過程及特點。

1 試驗部分

本實驗所用022Cr18Ni14Mo2奧氏體不銹鋼由浦項（張家港）不銹鋼有限公司生產的30 mm 厚不銹鋼022Cr18Ni14Mo2板材，其除 Fe 元素以外的名義成分如表1所示。試驗前材料經過1100℃加熱+保溫35 min+空冷的固溶處理后，采用線切割制備成?3 mm×3 mm 圓柱形沖擊試樣，且確保試樣兩端面平行，經拋光后試樣兩端面表面粗糙度 Ra ≤1.6μm 。

試驗在型號為 ALT1000剖分式 Hopkinson 壓桿上（ Separate Hopkinson Press Bar ， SHPB）進行，高溫試驗采用同步組裝的實驗系統，利用電阻式高溫爐進行加熱。實驗溫度設定為25℃、150℃、275℃和400℃，在0.1 MPa ～0.4 MPa 的氣壓下對試樣實現平均應變率在2000 s-1、3000 s-1、4000 s-1、5000 s-1左右動態加載。實驗用子彈長度80 mm ，壓桿直徑為8 mm 。為確保實驗精度，對三組實驗有效數據求平均值后進行分析。試驗采取超動態應變儀和瞬態波形存儲器件記錄不同溫度、不同加載速率過程中的時間-電壓曲線，依據應力波理論計算試件的應力、應變率和應變之間的關系，獲得材料的動態應力-應變曲線。

實驗結束后，對試樣表面進行研磨、拋光處理制備成金相試樣，使用王水腐蝕液腐蝕15 s ～20 s 左右，清洗、干燥后經場發射掃描電子顯微鏡（ FEIInspect F50）進行顯微組織觀察。

2 試驗結果與分析

2.1高應變率下022Cr18Ni14Mo2不銹鋼的應力-應變行為

圖1 a ～圖1 d 為測試溫度在25℃、150℃、275℃、400℃下，應變率從2000 s-1變化到5000 s-1 時022Cr18 Ni 14Mo2不銹鋼的應力-應變曲線。由圖可知：在任意確定的測試溫度下，隨著應變率的提高，所對應的應力-應變曲線上移，即流動應力逐漸增大，表現為較強的應變率強化效應。且隨著應變率的增加，流動應力增加的幅度逐漸變小，表現在相鄰兩種應力-應變曲線間的距離逐漸變小。對此種現象的解釋為：隨著應變率的提高，試樣在塑性變形階段產生絕熱升溫現象，應變率強化效應受到因絕熱升溫引起的部分溫度軟化現象的抑制作用，致使應變率強化程度減弱。從顯微組織方面分析：應變率強化效應表現在位錯運動的產生及位錯密度的增多，變形孿晶的產生或變形帶的出現。

為研究應變率對流動應力的影響程度，引入應變率敏感度β，來量化給定溫度下的應變率強化效應，其定義[13]418-421為

式中，σ1、σ2為同一溫度下，應變率為所對應的流動應力值為同一溫度下的兩種應變率。

圖2為應變為0.15，由式（1）計算出來應變率敏感度隨溫度、應變率變化關系。由圖可知：應變率敏感度β受溫度、應變率的影響，在給定的溫度下隨著應變率的增加而增加;在給定的應變率下隨著溫度的升高，逐漸減小。應變率敏感度表征了流動應力受應變率變化的依賴程度，由圖2可知：高應變率變化階段所對應的應變率敏感度值較大，表明這種依賴程度在此階段表現的相對明顯。對此現象的解釋為，高應變率下，位錯的增殖，晶粒內變形帶對位錯的阻礙作用增強引起強化現象，這與高應變率下觀察到的隨著應變率的增加，晶粒內變形帶增多的現象一致。此外，隨著溫度的升高，熱軟化效應逐漸顯著，在應變率強化與熱軟化的綜合競爭的作用下，應變率強化程度漸變弱，表現出如圖2所示的應變率敏感度隨溫度的升高而減小的現象。

此外，由圖1可見，試樣在四種測試溫度下均表現出較明顯的應變率增塑現象，即在高應變率下呈現出較好的塑性。以測試溫度在150℃的實驗數據舉例說明，當應變率從2000 s-1依次變化到3000 s-1、4000 s-1、5000 s-1的過程中，最大真應變從0.218相應地增大到0.315、0.367、0.481，增大幅度分別為44.50%，68.35%、120.64%。試樣這種應變率增塑特性是由于高應變率下產生變形孿生和絕熱溫升效應的綜合作用而引起的[16]，此特點也進一步擴大材料使用范圍。

2.2不同溫度下的應力-應變行為

圖3 a ～圖3 d 為四種應變率下，溫度從25℃依次增大到150℃、275℃、400℃的應力-應變曲線。實驗結果表明：022Cr18Ni14Mo2不銹鋼具有較強的溫度軟化效應，即在確定的應變率下，流動應力隨著溫度的升高逐漸降低，表現為同一應變率下的應力-應變曲線均隨著溫度的升高而下移。以應變率為4000 s-1的實驗數據為例說明：溫度為25℃、150℃、275℃、400℃所對應的最大真應力依次為994.627 MPa、903.596 MPa、816.756 MPa、769.898 MPa ，最大真應力隨著溫度的升高，下降幅度依次為9.15%、17.88%、22.59%;屈服強度分別為487.065 MPa、457.596 MPa、435.482 MPa、428.404 MPa ，下降幅度分別為6.05%、10.59%、12.04%。溫度軟化現象在高應變率下表現的相對顯著，此種現象歸根于高應變率下試樣塑形變形過程持續的時間極短，但產生的變形較大，進而導致絕熱溫升較為顯著，引起應力下降。

為了定量分析在給定應變率下，溫度對流動應力的影響程度，引入溫度靈敏度系數 nt ，其定義[17]為

式中，σ1、σ2為同一應變率下，溫度為 T1、T2在特定應變下所對應的應力值;T1、T2為兩種不同的測試溫度。

以應變率為5000 s-1下的實驗數據，根據式（2） 分別計算出應變為0.1、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.44，溫度從25℃依次變化到150℃、275℃、400℃所對應的溫度靈敏度系數的值，并繪制其隨溫度、應變的變化關系如圖4所示。由圖可知：溫度靈敏度系數受溫度、應變的支配，隨著溫度、應變的增加，溫度靈敏度系數均增加，二者對溫度靈敏度的影響程度有所區別，具體表現為：隨著應變的增加，溫度靈敏度逐漸緩慢的增加;而隨著溫度的增加，溫度靈敏度增加的幅度較大。此種現象表明因測試溫度升高而導致流動應力減小的幅度大于塑變過程中由絕熱溫升而引起流動應力降低的幅度，即塑變過程中呈現出的溫度軟化現象，是測試溫度的升高和變形過程中絕熱溫升的綜合作用，但測試溫度的影響占據主導作用。

2.3應變硬化效應

由圖1、圖3可知：任何一種狀態下的應力-應變曲線，隨著應變的增加，流動應力均增加，即所謂的加工硬化現象。與應變率對流動應力的強化程度相比，應變對流動應力的硬化程度要更加顯著，如：溫度在25℃，應變率為5000 s-1時，應變0.045增加到0.45，相應的流動應力增加了約672 MPa 。此外，隨著應變的均勻增加，加工硬化程度逐漸變弱，具體表現在圖2或圖3中的任何一種狀態下的應力-應變曲線，隨著應變的均勻增加，其斜率逐漸變小。實驗中還發現應變硬化程度受溫度的影響較大，隨著溫度的增加，應變硬化程度逐漸降低。以溫度400℃，應變率5000 s-1下的試驗數據為例，當應變從應變0.045增加到0.45時，流動應力的增加量約為451 MPa ，與溫度為25℃時相比較，應變硬化程度明顯減弱。

加工硬化是試樣內部組織微觀變化的一種宏觀表現。試樣的這種加工硬化能力主要是由于變形過程中，位錯的產生與增加、孿晶的形成，加上晶粒內變形帶的增多，阻礙了位錯運動進行，進而增加了位錯與周圍變形帶的相互作用，尤其在低溫或高應變率的條件下，加工硬化現象更加明顯。隨著溫度的升高，熱軟化效應進一步抑制了應變強化效果，因此、高溫條件下的加工硬化程度相對較弱。

2.4顯微組織分析

圖5為試樣塑變后在掃描電鏡 SEM 下顯微照片，結果表明隨著應變率的增加，位錯運動增值、堆積，密度變大，致使晶粒內變形帶的數量增加;隨著溫度的降低，位錯運動降低，密度減小，晶粒內變形帶的數量變少。如圖5b 所示，在25℃，應變為5000 s-1時，晶粒內的變形帶中呈現出較多的變形孿晶，高應變率下產生的孿生行為表明該材料具有明顯的應變率敏感性。變形孿晶的出現有助于調節晶粒間的變形程度，提高了該材料變形的均勻性。022Cr18Ni14Mo2晶粒內的變形帶主要以變形孿晶為主要，并夾雜一定的位錯或層錯，成為了位錯運動的障礙，對變形起強化作用[18]。如圖5顯微組織所示，變形孿晶開始于晶界，隨著應變率的增加，并向晶粒內生長，在晶粒內以不同的方向交錯在一起。孿晶的存在起到亞晶界的作用，進一步阻礙位錯運動，導致錯位堆積，錯位密度增加，造成應變硬化現象[19-21]。顯微組織的演變過程較好的說明了圖1 a 中較高應變率和低溫下的應力應變曲線所呈現出來的應變強化現象。此外，隨著溫度的升高，熱軟化效應較明顯，對應變硬化能力起到了一定的抑制作用，表明高溫條件下應變硬化效果相對較弱，這與高溫下顯微組織呈現出較少變形帶的現象吻合度較一致。

3 結論

本文運用剖分式 Hopkinson 壓桿試驗裝置，對022Cr18Ni14Mo2不銹鋼在應變率為2000 s-1～5000 s-1，溫度為25℃～400℃下進行了動態壓縮試驗研究，探討了溫度、應變率對其流變行為的影響規律及顯微組織的演變特征，其主要結論如下：

1）022Cr18Ni14Mo2不銹鋼具有顯著應變硬化現象，由于塑變過程中的熱軟化效應，高溫、高應變率下的應變硬化程度相對較弱。

2）022Cr18Ni14Mo2不銹鋼呈現出對應變率、溫度有顯著的敏感性，應變率敏感度隨應變率的增加而增加，溫度靈敏性系數隨著溫度的增加而增加。

3）顯微組織顯示在高應變率或低溫條件下晶粒內呈現出較多的相互交錯變形帶。隨著溫度的升高或應變率的下降，變形帶的數目逐漸減少。

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