含硼不銹鋼的熱變形行為

廉曉潔

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司，先進(jìn)不銹鋼材料國家重點實驗室，太原 030003；2. 山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心，太原 030003)

0 引 言

含硼不銹鋼不僅具有良好的吸收中子性能，還具有高的強(qiáng)度和良好的韌性，在廢核燃料儲存及運輸?shù)娜萜鞣矫娴玫皆絹碓蕉嗟膽?yīng)用[1-3]。但硼在γ相中的溶解度很低，過量添加硼元素會導(dǎo)致不銹鋼鑄坯中析出硬而脆的(Fe,Cr)2B相，導(dǎo)致鋼的熱加工性能變差，在鍛造、軋制時極易造成軋件開裂，甚至引發(fā)斷裂事故[4]；同時硼元素的加入使不銹鋼的凝固態(tài)組織為共晶組織，且隨著硼含量的增加，液相線下降，共晶硼化物數(shù)量增多，在晶界處由網(wǎng)狀連續(xù)分布變成呈棒狀、團(tuán)球狀分布，從而導(dǎo)致不銹鋼的塑韌性降低[1]。目前有關(guān)含硼奧氏體不銹鋼的研究主要集中在硼含量、熱處理工藝等對其顯微組織和性能的影響方面[5-7]，但是對其熱變形行為的研究卻鮮有報道。熱變形行為的研究對于優(yōu)化生產(chǎn)工藝、促進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)與提高產(chǎn)品質(zhì)量等都具有非常的意義。因此，作者在304奧氏體不銹鋼的成分基礎(chǔ)上，添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.96%的硼元素，采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)制備含硼不銹鋼；通過單道次熱壓縮試驗獲得該鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，基于試驗數(shù)據(jù)建立該鋼的熱變形本構(gòu)模型，獲得動態(tài)再結(jié)晶的臨界條件，研究含硼不銹鋼的熱變形行為，為含硼不銹鋼的熱加工工藝制定提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

在304奧氏體不銹鋼成分基礎(chǔ)上加入一定量的硼鐵合金，采用50 kg真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，得到含硼不銹鋼鑄坯，測得其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.039C，1.02Mn，17.79Cr，1.66Ti，12.03Ni，1.96B，余Fe。

用線切割方法在鑄坯上截取尺寸為φ10 mm×15 mm的試樣，在Gleeble 3800型熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行單道次熱壓縮試驗，即以20 ℃·s-1的速率將試樣加熱到1 050 ℃保溫150 s，再以25 ℃·s-1的速率加熱或冷卻至變形溫度保溫30 s，然后分別在0.1，1，10 s-1應(yīng)變速率下進(jìn)行壓縮變形。試驗鋼在變形溫度1 150 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1、變形量50%和變形溫度1 200 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1、變形量30%條件下熱壓縮后的宏觀形貌如圖1所示，可以看出在變形量較大(50%)或者變形溫度較高(1 200 ℃)條件下，試樣均出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂，且在1 200 ℃熱壓縮后試樣已出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，這也驗證了文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的結(jié)果，即當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時，將試驗鋼加熱至1 200 ℃時其熱延性為零。因此，試驗鋼的熱變形溫度不應(yīng)高于1 150 ℃，設(shè)置為900，950，1 000，1 050，1 100，1 150 ℃，變形量(工程應(yīng)變)設(shè)為30%(真應(yīng)變?yōu)?.356 7)。試驗結(jié)束后采用噴水方式將試樣冷卻到室溫。采用EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌。

圖1 試驗鋼在不同條件下熱壓縮后的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of test steel after hot compression under different conditions

2 試驗結(jié)果與結(jié)論

由圖2可知，不同條件下熱壓縮后試驗鋼的流變應(yīng)力曲線均可分為3個階段。當(dāng)應(yīng)變量較小時，隨著熱壓縮變形的進(jìn)行，應(yīng)力隨著應(yīng)變量的增加而迅速增加到峰值，流變曲線呈現(xiàn)明顯的加工硬化特征。這是因為在熱壓縮過程中晶格畸變使得試驗鋼組織中產(chǎn)生了大量的位錯并形成纏結(jié)，加工硬化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由原子擴(kuò)散和位錯湮滅而引起的軟化作用[8]。隨著變形的進(jìn)行，再結(jié)晶的驅(qū)動力不斷增大，動態(tài)再結(jié)晶軟化速率加快，在流變曲線上表現(xiàn)為真應(yīng)力趨于穩(wěn)定值，這表明此時加工硬化作用與再結(jié)晶軟化作用處于動態(tài)平衡狀態(tài)，試驗鋼發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶[9]。當(dāng)變形量繼續(xù)增加時，流變曲線呈下降趨勢，這說明動態(tài)軟化效應(yīng)已超過了加工硬化作用。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到10 s-1時，900 ℃下的真應(yīng)力急劇增大至峰值，這是由低變形溫度和大變形速率下位錯大量增殖所致。在相同應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，試驗鋼的峰值應(yīng)力及其對應(yīng)的真應(yīng)變降低，這是由于隨著溫度的升高，原子發(fā)生擴(kuò)散和位錯發(fā)生攀移的驅(qū)動力增大，動態(tài)軟化速率加快[8]。當(dāng)變形溫度一定(1 150 ℃)時，隨著應(yīng)變速率的減小，峰值應(yīng)力及其對應(yīng)的真應(yīng)變降低，這是由變形速率越低，動態(tài)再結(jié)晶越容易發(fā)生所致。綜上可知，在試驗條件下隨著變形量的增加，真應(yīng)力先迅速上升，達(dá)到峰值應(yīng)力后下降，流變應(yīng)力曲線呈典型的動態(tài)再結(jié)晶型，軟化機(jī)制以動態(tài)再結(jié)晶為主。

圖2 試驗鋼在0.1,1,10 s-1和不同變形溫度以及1 150 ℃和不同應(yīng)變速率下熱壓縮時的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of test steel during hot compression at 0.1,1,10 s-1 and different deformation temperatures (a-c) and 1 150 ℃ and different strain rates (d)

3 熱變形本構(gòu)方程的建立與驗證

3.1 本構(gòu)方程的建立

(1)

(2)

式中：n1,n，A，α，β均為材料常數(shù)，其中α=β/n1；R為氣體常數(shù)，8.314 5 J·mol-1·K-1；Q為熱變形激活能，kJ·mol-1。

在回歸擬合較佳的條件下，由式(1)中雙曲正弦函數(shù)求得的材料常數(shù)與由冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)求得的結(jié)果基本一致[12]。對式(1)中的冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)形式方程兩邊取自然對數(shù)可得：

(3)

(4)

對式(3)和式(4)兩邊進(jìn)行偏微分可得：

(5)

(6)

對式(1)中的雙曲正弦函數(shù)形式方程兩邊取自然對數(shù)可得：

(7)

對式(7)兩邊求導(dǎo)可得：

(8)

(9)

圖3 試驗鋼熱壓縮時不同變量間的線性擬合曲線Fig.3 Linear fitting curves between different variables for test steel during hot compression

由式(1)和式(2)可得：

(10)

對式(10)兩邊取對數(shù)可得：

(11)

根據(jù)式(11)擬合得到lnZ-ln sinh(ασ)曲線如圖3(e)所示，計算得到lnA為55.368 8，n為6.740 2。因此，在試驗范圍內(nèi)基于峰值應(yīng)力構(gòu)建的試驗鋼的熱變形本構(gòu)方程為

(12)

高溫變形條件下，與變形溫度及應(yīng)變速率相比，變形量對應(yīng)力的影響較小[14]，因此大多數(shù)研究中不考慮變形量的影響。可知，上述基于峰值應(yīng)力所構(gòu)建的方程不能夠準(zhǔn)確地表征整個熱變形過程中應(yīng)力的變化。為了更精確地表征含硼不銹鋼在熱變形過程中的流變特征，利用以真應(yīng)變?yōu)樽宰兞康?次多項式來擬合含硼不銹鋼在不同真應(yīng)變下的材料常數(shù)α，Q，lnA，n，擬合曲線如圖4所示，擬合結(jié)果如表1所示。由圖4可知，含硼不銹鋼材料常數(shù)與應(yīng)變的5次多項式擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.995，表明以變形量為自變量的5次多項式能夠很好地表征含硼不銹鋼材料常數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)雙曲正弦函數(shù)定義，流變應(yīng)力可表征為Z參數(shù)的函數(shù)，再結(jié)合5次多項式的擬合結(jié)果，含硼不銹鋼的本構(gòu)關(guān)系可描述為

(13)

3.2 本構(gòu)模型的驗證

為驗證所建立本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，另選取4組工藝，即：950 ℃，7 s-1；1 050 ℃，5 s-1；1 100 ℃，3 s-1和1 150 ℃，0.01 s-1進(jìn)行熱壓縮試驗，將由試驗測得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與模型預(yù)測曲線進(jìn)行對比。由圖5可知，隨機(jī)選取的4組變形條件下的試驗數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)吻合較好，平均相對誤差絕對值僅為2.76%，這說明所建立的本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測含硼不銹鋼的熱變形行為。

圖4 試驗鋼的材料常數(shù)與真應(yīng)變的擬合曲線Fig.4 Fitting curves between material constants and true strain for test steel

表1 試驗鋼材料常數(shù)5次多項式的擬合結(jié)果

圖5 試驗測得不同變形條件下真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與模型預(yù)測結(jié)果的對比Fig.5 Comparison of tested true stress-true strain curves and predicted results from model under different deformation condition

3.3 動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界條件

圖6 試驗鋼在不同變形條件下的真應(yīng)力與加工硬化率的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between true stress and working hardening rate of test steel under different deformation conditions

由圖7可知，在所有變形條件下，-?θ/?σ均存在一個最小值，其對應(yīng)的真應(yīng)力即為臨界應(yīng)力。隨著變形溫度的增加或變形速率的減小，臨界應(yīng)力減小，這表明在高溫或低應(yīng)變速率下變形，試驗鋼更容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，這與HAN等[17]的研究結(jié)果一致。

圖7 試驗鋼在不同變形條件下的-?θ/?σ-σ曲線Fig.7 -?θ/?σ-σ curves of test steel under different deformation conditions

臨界應(yīng)力和峰值應(yīng)力對應(yīng)的臨界應(yīng)變εc和峰值應(yīng)變εp的擬合曲線如圖8所示。由圖8可知：當(dāng)εp較小時，εc-εp數(shù)據(jù)點位于擬合直線的下方，即變形溫度較高、應(yīng)變速率較小時，試驗鋼較易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶；而當(dāng)εp較大時，εc-εp數(shù)據(jù)點基本上位于擬合直線的上方，即變形溫度較低、應(yīng)變速率較大時，動態(tài)再結(jié)晶不易發(fā)生。由圖9可知：在1 150 ℃，1 s-1條件下熱壓縮后，當(dāng)真應(yīng)變?yōu)?0%時，試驗鋼組織中出現(xiàn)了再結(jié)晶晶粒，此時熱壓縮試驗過程中的流變應(yīng)力大于臨界應(yīng)力，這驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性；隨著變形量的進(jìn)行，組織中形成了更多的再結(jié)晶晶粒。

圖8 試驗鋼的εp與εc關(guān)系Fig.8 Relation between εp and εc of test steel

圖9 試驗鋼在1 150 ℃和1 s-1條件下熱壓縮不同真應(yīng)變時的顯微組織Fig.9 Microstructures of test steel during hot compression with different true strains at 1 150 ℃ and 1 s-1

4 結(jié) 論

(1) 在變形溫度900～1 150 ℃和應(yīng)變速率0.1～10 s-1條件下熱壓縮后，含硼不銹鋼的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的動態(tài)再結(jié)晶型，軟化機(jī)制以動態(tài)再結(jié)晶為主；隨著變形溫度的升高或應(yīng)變速率的減小，試驗鋼的峰值應(yīng)力及其對應(yīng)的真應(yīng)變降低。

(2) 根據(jù)熱壓縮試驗數(shù)據(jù)，基于Arrhenius方程并結(jié)合5次多項式擬合建立了含硼不銹鋼的熱變形本構(gòu)方程，且由方程計算所得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與試驗測得的相吻合，平均相對誤差絕對值為2.76%，說明所建立的本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測含硼不銹鋼的熱變形行為。結(jié)合加工硬化率-真應(yīng)力曲線確定了含硼不銹鋼發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)力，變形溫度較高、應(yīng)變速率較小時，該鋼較易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。