2209雙相不銹鋼的熱加工圖和軟化機制

張芳萍，曹 宇，成鑫堯，張案案，王 超，趙愛春

(1.太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024)

0 前言

雙相不銹鋼顧名思義是具有兩種相的不銹鋼，這種不銹鋼的成分含量中，鐵素體與奧氏體的兩相比例接近1∶1[1]。因此雙相不銹鋼相較于單一的鐵素體或奧氏體不銹鋼具有更好的物理、化學性能[2-4]。因為2209雙相不銹鋼具有高韌性、低脆性、優良的抗腐蝕能力以及良好的焊接性能等特點，能有效彌補鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼的不足[5-8]，因此被廣泛應用于運輸、天然氣、造紙、印刷工業、石化、建筑和化學工業[9]。由于這種材料中鐵素體相和奧氏體相在熱塑性、組織構成和力學特性方面存在差異，因此在熱軋過程中容易產生缺陷。金屬的材料屬性、載荷、操作環境等因素對疲勞破壞具有綜合而顯著的影響，現在對其研究尚處于摸索階段[9-14]。因此，為了制定合適的熱加工工藝，就必須對材料進行熱塑性研究。這樣才能夠為提高產品良品率、提高生產速度，降低生產成本提供保證，并為以后研究這種材料提供科學依據。

我國對雙相不銹鋼性能的研究起步較晚，王振華、馬文遠等人在2019年對2205雙相不銹鋼的熱變形行為開展研究，并對其三種開裂類型進行了分析[15]；王立新等[16]研究了2205和2507雙相不銹鋼的熱變形行為，發現較高的變形溫度1 200 ℃不利于奧氏體穩定，在1 200 ℃充分保溫后，鐵素體再結晶晶粒長大。王月香等[17]對2205雙相不銹鋼進行了熱變形研究，發現隨著應變速率的增加，2205雙相不銹鋼主導軟化機制轉變為鐵素體的動態再結晶和奧氏體相向鐵素體相的轉變。但以上研究均沒有繪制熱加工圖，熱加工圖可以預測材料在不同熱加工條件下的變形機制和性能，對材料的塑性加工有著重要的指導意義。劉娟等[18]對金屬材料繪制了的熱加工圖，結合微觀組織發現熱加工圖對材料的組織性能有著較好的預測效果。與2205雙相不銹鋼性能相近的2209雙相不銹鋼，該材料在生產過程中易產生裂紋等缺陷，目前國內研究較少。為了改善2209雙相不銹鋼焊絲的良品率，本文采用Gleeble-3800熱模擬試驗機進行單向熱壓縮實驗，建立2209雙相不銹鋼的應力-應變關系，并根據實驗結果處理得到不同應變下的功率耗散圖、失穩圖和熱加工圖，并結合微觀組織軟化機制確定其最佳加工區間，為2209雙相不銹鋼熱加工工藝的設定提供依據。

1 Arrhenius本構方程的建立

金屬材料的流變應力(熱加工過程中)主要由變形速度、變形溫度及變形量等因素來確定。根據阿倫尼烏斯本構方程可精確地確定高溫變形時流變應力、變形溫度、變形速度之間的關系。可用參數Z表征變形速度和變形溫度對熱變形的影響[18]。在不同的應力值下，阿倫尼烏斯型本構關系式

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依照Prasad等提出的動態材料模型構建2209雙相不銹鋼的能量耗散圖與失穩圖[19-21]。J是金屬在熱變形過程中由材料內部微觀組織變換而產生的耗散協量，G是由于金屬塑性變形引起的能量消耗，P為單位體積內吸收的總功率。

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能量耗散因子(η)與失穩判據(ξ)定義為

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式中，應變率敏感性指數m的表達式為

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2 試驗方法

實驗材料采用2209雙相不銹鋼鑄坯，經過線切割將試樣切割成Φ10 mm×15 mm的圓柱體，將切割好的試樣用Gleeble-3800熱模擬實驗機進行單項熱壓縮試驗。試驗方案如圖1所示，將2209雙相不銹鋼試樣以10 ℃·s-1的恒定加熱速率加熱120 s，試件達到1 200 ℃后保溫180 s，而后分別冷卻至1 150 ℃、1 100 ℃、1 050 ℃、1 000 ℃、950 ℃后保溫30 s，并以0.01 s-1、0.1 s-1及1 s-1的應變速度進行單向熱壓縮。樣品變形的壓下量為60%，以獲得0.9的真應變，壓縮變形完成后，將試樣放進水中淬火。

圖1 2209雙相不銹鋼的熱壓縮試驗方案

3 試驗結果與討論

3.1 2209雙相不銹鋼的力學性能曲線

如圖2所示為應變速率相同時2209雙相不銹鋼在不同溫度下的力學性能曲線。在變形的初期，位錯密度與應力不斷增大，出現明顯的冷作硬化現象。隨著壓縮過程的不斷進行，2209雙相不銹鋼持續發生動態回復與動態再結晶，應力增長趨于平緩[22]，另外從三幅圖可以發現，當應變速度保持穩定時，應力隨著變形溫度的變化而變化，主要表現為隨著變形溫度的升高，應力出現了減小的趨勢。當變形的溫度保持穩定時，不同的應變速度也將導致應力值的不同，主要表現為應變速度越大應力值也隨之增大。

圖2 2209雙相不銹鋼力學性能曲線

3.2 本構方程構建

依據單向熱壓縮的應力-應變數據構建2209雙相不銹鋼的阿倫尼烏斯本構方程，對式(1)～(3)取自然對數可以得到

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圖3 2209雙相不銹鋼的Arrhenius本構方程不同參數之間的關系

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3.3 功率耗散圖

金屬材料在進行熱塑性變形時，其內部的能量損耗與其微觀結構密切相關。熱加工圖可以很好反應出材料的性能、變形溫度、應變速率、變形量與微觀組織之間的變化規律，這樣能有效避開金屬材料的熱加工失穩區，找到金屬材料的最優加工區域[14,17]?；贒MM動態加工圖是優化熱加工工藝參數和控制組織的一種最有效手段。按照DMM模型，兩個互補的能量: 耗散量G和耗散協量J共同構成每個單元體積內的總功率P。由式(4)所示，應變速度敏感指數m決定了G和J在變形過程中所占的比例，其關系如式(7)所示，功率耗散效率η和m的關系可用式(5)描述。

從一般角度來看，當功率耗散效率較高時，表明該區域內材料的熱加工性能越好，但是在變形過程中，材料的各種損耗都會消耗應變能，因此需要把失穩圖和耗散圖綜合起來對加工參數進行全面分析。2209雙相不銹鋼的功率耗散圖如圖4所示。

圖4 2209雙相不銹鋼的功率耗散圖

3.4 失穩圖

熱加工過程當中也存在影響加工的微觀機制，如裂紋、折疊、耳子等，因此單一的通過功率耗散圖去判斷加工工藝是不精確的。如式(6)所示，應用Prasad Y等[19]建立的失穩變形區作為判斷依據確立的2209雙相不銹鋼的失穩圖如圖5所示。

圖5 2209雙相不銹鋼的失穩圖

3.5 熱加工圖

通過疊加2209雙相不銹鋼在相同應變條件下的耗散圖與失穩圖，得出的2209雙相不銹鋼的熱加工圖，如圖6所示，得出了該材料在0.9真應變下的失穩區。加工失穩區與功率耗散效率隨著應變速度的變化而變化，失穩區的比例隨著變形溫度的降低而不斷擴大。從圖中可以看出，低溫區域是失穩區主要分布區間。說明一定溫度范圍內，在溫度較低的條件下不適合進行加工。因此，在溫度1 060～1 120 ℃、應變率0.35～0.39 s-1以及溫度1 120～1 150℃、應變率0.42～0.46 s-1的加工條件下，材料才有良好的力學性能。

圖6 2209雙相不銹鋼熱加工圖

4 軟化機制

一般認為，鐵素體擁有較高的堆垛層錯能(SFE)，因而更易產生位錯攀移和交滑移等，從而主導軟化過程，降低變形抗力，這被稱為動態回復。奧氏體的SFE值較低，易出現位錯纏結，因此動態再結晶發生條件比較苛刻，這一點在材料學界已經得到了廣泛的認可。為了研究在不同變形條件下鐵素體和奧氏體的軟化機制，采用EBSD技術對應變率為0.1 s-1變形溫度分別為950 ℃、1 150 ℃的熱壓縮試樣進行了測試。如圖7所示為不同條件下的再結晶晶粒，亞結構和變形晶粒所占比例。

如圖7所示，950 ℃應變速率0.1 s-1的條件下，鐵素體中再結晶晶粒占51.1%，亞結構占44.2%，變形晶粒僅占4.66%。而此條件下奧氏體中再結晶晶粒僅占10.8%，變形晶粒占比最多，為59.9%，亞結構占比29.2%?？梢钥闯?，在這種情況下鐵素體的在結晶程度比奧氏體高很多，也就是說，在這種條件下，鐵素體的軟化程度要比奧氏體的高得多；奧氏體的亞結構和變形晶粒占了絕大部分，這是因為奧氏體的位錯能比較低，熱變形容易導致位錯纏結與空位缺陷等現象的產生，因此對于奧氏體來說，一般不能直接通過沒有孕育期的回復來進行軟化，而且再結晶過程也存在著一定的滯后現象。這是由于在熱變形過程中，一般由鐵素體先承擔變形，當變形到一定程度后，奧氏體才會逐漸承擔變形，并且變形量累積到一定程度后，奧氏體才能達到再結晶的能量勢壘，從而發生再結晶。

圖7 不同條件下的再結晶晶粒，亞結構和變形晶粒的占比

1 150 ℃應變速率0.1 s-1的條件下，鐵素體中再結晶的比例仍然很高，但是隨著溫度的升高，奧氏體也開始再結晶，此時奧氏體中的再結晶比例和鐵素體再結晶比例非常接近，此時發生了鐵素體向奧氏體的相變過程。在1 150 ℃時，形變儲能由于溫度的升高，達到了鐵素體轉變為奧氏體的能量勢壘，發生了鐵素體向奧氏體的相變。因此鐵素體體積分數逐漸減少，所承擔的形變也隨之的減少，形變會逐漸由奧氏體來承擔，并且在位錯密度積累到一定程度后產生再結晶現象。因此在此條件下奧氏體的再結晶占比很高。另外，在這種情況下，鐵素體與奧氏體再結晶程度都比較高，這表明鐵素體與奧氏體都發生了較高程度的軟化作用。也就是說在該條件下，應變在兩相中的分布較為均勻。

1 150 ℃與950 ℃相比，在1 150℃的加工條件下，材料兩相的再結晶程度都比較高，都起到了較大的軟化作用，使得材料的應變分布更為均勻，有利于熱加工的進行。

5 結論

(1)本文通過熱壓縮試驗得到了2209雙相不銹鋼的應力應變關系，分析發現，在應變速度恒定的情況下，應力與溫度成反比。對于不同應變速度的情況，應變速度越高，對應穩定后的真應力也越大。由于材料中存在加工硬化以及動態再結晶，導致應力呈現出先急劇增加后趨于平緩的趨勢。

(2)根據阿倫尼烏斯型本構方程構建了0.9應變條件下2209雙相不銹鋼的本構方程：

(3)建立2209雙相不銹鋼的熱加工圖，確定了2209雙相不銹鋼合適的加工范圍。在溫度1 060～1 120 ℃、應變率0.35～0.39 s-1以及溫度1 120～1 150 ℃、應變率0.42～0.46 s-1適合進行加工。

(4)應變速率不變，在1 150 ℃的加工條件下，材料兩相的再結晶程度比950 ℃的在結晶程度高，兩相都起到了較大的軟化作用，使得材料的應變分布更為均勻，因此1 150 ℃比950 ℃更有利于熱加工的進行，進一步驗證了熱加工圖的準確性。