410不銹鋼的熱變形行為及熱加工圖

劉 娟 崔明亮 高 蕾 楊 希 陳 雷 金 淼

(1.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川618000；2.燕山大學，河北066004)

現(xiàn)今不銹鋼的應用十分廣泛，有的側重于應用其力學性能，如橋梁、高速公路、隧道等，有的側重于應用其耐腐蝕性能，如石油、給水、排水處理裝置及船底材料等[1]。其中，在石油行業(yè)中，410不銹鋼在重要零件閥體中得到了大量應用，而管道連接所采用的閥體通常使用鍛造成形。鍛件成形效果與鍛件質量密切相關，因此，選擇合適的熱加工工藝有助于得到比較均勻的組織和優(yōu)異的材料性能[2-4]，獲得合理的熱加工工藝前提是明晰材料的熱變形規(guī)律，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，增加產(chǎn)品合格率，減少成本，還可為以后研究該材料提供理論支撐。

材料在熱變形時，流變應力主要與變形溫度、變形速率及變形量(或應變量)這三個因素有關，而Arrhenius型本構方程用于描述高溫變形時流變應力與變形溫度、應變速率這三者之間的關系，應變速率和變形溫度對熱變形的影響可以用參數(shù)Z表征，Z參數(shù)表示了考慮溫度補償?shù)膽兯俾室蜃?。對于不同應力值，Arrhenius型本構方程如下[5-6]：

(1)

(2)

(3)

熱加工圖按照Prasad等提出的動態(tài)材料模型進行構建，具體分為能量耗散圖與失穩(wěn)圖[7-9]。并且G代表塑性變形而導致的能量消耗，J代表熱變形過程中材料內部微觀組織演化，稱為耗散協(xié)量。

(4)

能量耗散效率因子(η)與失穩(wěn)判據(jù)(ξ)定義為：

(5)

(6)

式中，m為應變速率敏感性指數(shù)，表達式為：

(7)

通過對所構建本構方程與熱加工圖的分析，以及對410不銹鋼熱變形行為的探究，最后確定了該鋼優(yōu)良的熱加工窗口，支持了410不銹鋼的后續(xù)應用。

1 試驗方法

試驗材料為410不銹鋼，試樣尺寸為?8 mm×12 mm，在Gleeble-3800熱力模擬試驗上進行高溫壓縮試驗。圖1為熱壓縮過程示意圖，試樣以10℃s的加熱速度升到1200℃后保溫3 min，再以10℃s的冷卻速度降到指定溫度1000～1200℃后保溫10 s變形，變形的應變速率分別為0.1 s-1、1 s-1、5 s-1及10 s-1，樣品變形的真應變?yōu)?.9，變形完成后淬火。

圖1 熱壓縮過程示意圖Figure 1 Schematic diagram of thermal compression process

(a)0.1 s-1(b)1 s-1(c)5 s-1(d)10 s-1

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能曲線

圖2為相同應變速率不同溫度的力學性能曲線。開始變形時，加工硬化明顯，位錯密度急劇升高，應力急劇增大。之后，動態(tài)回復與動態(tài)再結晶迅速發(fā)展，應力增長越來越緩慢，直到達到某一應變時，應力達到最大，并開始下降，此時，動態(tài)軟化起主導作用[10]，其中圖2(a)符合這一表述。圖2(b)～(d)由于應變速率較大，變形時間較短，沒有足夠時間使其充分軟化，故直到達到最大應變，應力才隨之達到最大，說明加工硬化仍起主導作用。另外，四張圖有相同的規(guī)律，即假如應變速率保持不變，不同變形溫度下的曲線，應力各有不同，其規(guī)律為變形溫度越大，應力越小。

2.2 本構方程構建

采用0.9真應變處各應力值構建本構方程，對式(1)～(3)取自然對數(shù)，可以得到：

(8)

(9)

(10)

(11)

2.3 熱加工圖

按照相應的方法進行處理，得到的0.1、0.5、0.9應變下的熱加工圖如圖4所示。通過分析熱加工圖，發(fā)現(xiàn)應變?yōu)?.1時，失穩(wěn)區(qū)有三塊；應變?yōu)?.5時，失穩(wěn)區(qū)有三塊，其中右上角存在很小的一塊區(qū)域；應變?yōu)?.9時，失穩(wěn)區(qū)有兩塊。在不同的應變量下功率耗散效率及加工失穩(wěn)區(qū)均在細節(jié)上不斷變化，大致呈現(xiàn)出隨變形量增加失穩(wěn)區(qū)逐漸增大的趨勢。并且失穩(wěn)區(qū)主要分布在低應變速率區(qū)域，說明1000～1200℃、0.1～1.3 s-1條件下不適合進行加工。在三張熱加工圖中，非失穩(wěn)區(qū)主要分布在左上角虛線框與右上角虛線框區(qū)域內。兩者相比較，右上角虛線框區(qū)域內能量耗散效率因子η值較高，最大峰值為53%，故選擇其所在區(qū)域試驗條件1150～1200℃、2.0～10 s-1進行試驗，熱加工性能較好。

圖3 不同參數(shù)之間的關系Figure 3 Relationships between different parameters

圖4 410鋼熱加工圖Figure 4 Hot working drawing of steel 410

3 結論

(1)本文使用熱壓縮試驗得到了流變曲線，并對其進行了分析。發(fā)現(xiàn)應變速率不變，溫度越高，應力越小。并且對于不同應變速率的流變曲線，低應變速率下，應力達到峰值后，將出現(xiàn)下降趨勢；而高應變速率下，應力將一直升高，直到達到最大應變量時達到最高。

(2)構建了0.9應變條件下的本構方程：

(3)通過建立熱加工圖，確定了適合410鋼的熱加工范圍，在1150～1200℃、2.0～10 s-1試驗條件下進行試驗，熱加工性能較好。