奧氏體不銹鋼塑性變形行為及沖壓成型性研究★

李 陽，張 威，李 娟，郭淑茜

（1.太原鋼鐵（集團）有限公司先進不銹鋼材料國家重點實驗室，山西 太原 030003；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，山西 太原 030003；3.太原科技大學，山西 太原 030024）

奧氏體不銹鋼既是用于裝飾美化的結構材料，又具有耐腐蝕功能，在食品工業、餐飲服務業、醫療行業和家電廚具等領域具有十分廣闊的應用前景。奧氏體不銹鋼只有具有優異的塑性行為及沖壓成型性能才能生產出高性能、高精度的產品，因此，基于該材料在這些工程和應用上的需求，對奧氏體不銹鋼塑性變形行為及沖壓成型性進行研究更具有實際意義和應用價值。

板材塑性行為及深加工性能指標主要有屈服強度、斷后延伸率和應變硬化指數。其中，屈服強度越小，斷后延伸率越高，應變硬化指數越大，越有利于塑性變形和拉伸成形[1-4]。吳俊良[5]研究了高錳鋼和普通不銹鋼的塑性變形行為，發現不銹鋼主要塑性變形機制為位錯滑移，而高錳鋼則在高應變下以孿生變形機制為主。劉偉[6]研究發現，應變速率對奧氏體力學行為的影響主要源于應變誘發α'-馬氏體的轉變。諸多研究中，對奧氏體不銹鋼的塑性變形行為及沖壓成型研究很少。因此，本文以奧氏體不銹鋼為研究對象，通過單向拉伸試驗，分析其力學性能，研究塑性變形機制，同時通過杯突試驗探索了奧氏體不銹鋼的拉伸系數，為成形工藝的擬定提供了依據。

1 試驗過程

太鋼工業試制的304L 奧氏體不銹鋼的化學成分如表1 所示。

表1 奧氏體不銹鋼化學成分 %

為了研究304L 奧氏體不銹鋼的塑性變形行為，從工業試制后的鋼板上取拉伸試樣，其尺寸如圖1 所示。拉伸實驗的移動速率為1 mm/min。測量結果為3次拉伸后數據的平均值。采用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）分析觀察微觀組織和斷口形貌。采用X 射線衍射儀對拉伸前后的樣品進行分析。測試時最大額定功率為3 kW，測試使用Cu 靶的Kα 輻射。掃描范圍為40°～100°，步長為0.02°/s。

圖1 常溫拉伸試樣示意圖（mm）

杯突實驗按照GB/T 4156—2007 標準，將實驗制成3 片100 mm×100 mm 的試樣。在試樣板面一側畫初始直徑2 mm 的應變分析網格圓，以便得到成型極限圖。后將試樣在GBC-60W 型號的杯突實驗機上進行成形實驗。實驗溫度23 ℃±2 ℃，相對濕度50%±5%。之后采用網格應變分析法測量極限應變，并繪制成形極限圖。

2 結果與討論

2.1 塑性變形行為

下頁圖2 所示為試制304L 奧氏體不銹鋼的拉伸測試曲線。實驗鋼斷后伸長率高達86.31%，具有較強的塑性；相應的屈服強度為408.59 MPa，抗拉強度值為593.7 MPa，其值均高于GB/T 3280 標準的力學性能要求（屈服強度≥185 MPa、抗拉強度≥485 MPa、斷后伸長率≥40%）。這是由于試制鋼內細小的晶粒呈均勻等軸狀，導致細晶強韌化，抵抗塑性變形的能力增加。

下頁圖2-2 為304L 奧氏體不銹鋼的真應力應變曲線，圖中的實線部分為均勻塑性變形段。根據Hollomon 公式σt=Kεtn（其中，σt為真應力；εt為真應變），可求得加工硬化曲線，對數據進行線性擬合計算，如圖2-3 所示。最后，求得虛線的斜率和截距，即應變硬化系數K 為160.77 MPa，應變硬化指數n 為0.45。

圖2 304L 不銹鋼

拉伸前后的XRD 衍射譜如圖3 所示。由圖3 可見，304L 不銹鋼中均含有奧氏體的特征衍射峰。拉伸試驗后，奧氏體衍射峰γ（111）、γ（220）略微下降，而馬氏體衍射峰α（110）、α（200）和α（211）明顯增加。在拉伸過程中，馬氏體含量升高，主要轉變機制為奧氏體γ 轉變為馬氏體α。

圖3 304L 不銹鋼拉伸前后的XRD 衍射譜

拉伸后的試樣斷口無明顯頸縮，試樣斷面平整、規則，如圖4 所示，宏觀拉伸斷口形貌呈杯錐狀。在斷口中心局部區域，均勻分布了很多的淺顯小韌窩，且韌窩壁光滑，為韌性斷裂模式（見圖4-3）。斷口邊部含有大量河流狀撕裂棱，但其內部還有少量韌窩，綜合表現為脆性斷裂及韌性斷裂的混合斷裂模式。

圖4 試制不銹鋼拉伸斷口的SEM 照片

2.2 沖壓成型性

由于304L 奧氏體不銹鋼板材需滿足特定環境要求，制成復雜多樣的形狀，因此，試樣受力狀態不是單向拉伸，而是呈現平面雙向和空間三向應力狀態[7]。在復雜應力狀態下，采用成型極限圖（FLD），即成型極限曲線，來描述材料應力成形，它直觀、全面、簡潔地判斷和評定了金屬板材的成型性，反映了材料的極限變形能力。通常平均塑性應變比rˉ值越大越有利于抵抗材料在沖壓成型過程中厚度方向上的減薄，防止在沖壓過程中在厚度方向出現斷裂，實驗測得rˉ值為0.977，接近1，表示板材在厚度方向異性較小。應變硬化指數n 值在宏觀上表現為材料在變形區域內應變分布的均勻性，其值越大，代表材料變形能力越強，局部破裂的可能性越小，板材表面質量越好。測量結果n 值為0.32，符合0.2～0.5 常規范圍。如圖5 所示為杯突實驗后的試樣形貌和成型極限圖。

圖5 實驗鋼的成型極限圖

實驗測得杯突值（IE）為12.78 mm。圖5-1 中箭頭處所指試樣凸起的下部部位出現圓弧型裂紋，屬于正常開裂。圖5-2 所示為實驗鋼的成型極限圖，它定性和定量地研究了材料局部成形性能。由圖5 可知，縱坐標為主應變，其值均為正值，表明試樣處于拉伸狀態；橫坐標為次應變，其值由負逐漸轉為正，說明試樣由單向拉伸狀態逐漸變為雙向拉伸狀態。

3 結論

1）試驗鋼的屈服強度和抗拉強度值分別為408.59 MPa 和593.7 MPa，斷后伸長率高達86.31%，具有較強的塑性。通過擬合計算得到應變硬化系數K 和應變硬化指數n，分別為160.77 MPa 和0.45。拉伸后的試樣為脆性斷裂及韌性斷裂的混合斷裂模式。拉伸過程中，塑性變形的主要轉變機制為γ→α。

2）通過沖壓成型試驗，獲得304L 奧氏體不銹鋼的平均塑性應變比rˉ為0.977，應變硬化指數n 值為0.32，杯突值（IE）為12.78 mm。