基于3D熱加工圖的SUS304奧氏體不銹鋼熱變形特性研究

丁浩晨，趙艷君,b，胡治流,b，張敬瑞，龐興志

基于3D熱加工圖的SUS304奧氏體不銹鋼熱變形特性研究

丁浩晨a，趙艷君a,b，胡治流a,b，張敬瑞a，龐興志a

（廣西大學 a. 資源環(huán)境與材料學院；b. 廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，南寧 530004）

研究SUS304奧氏體不銹鋼的熱變形行為。在GLEEBLE-3500熱力模擬實驗機上對SUS304不銹鋼進行了等溫熱壓縮實驗，變形溫度為850～1250 ℃，應(yīng)變速率為0.01，0.1，1 s?1，真應(yīng)變?yōu)?.69，基于Arrhenius模型構(gòu)建了本構(gòu)方程，并建立了3D熱加工圖。實驗鋼在850～1050 ℃/0.1～1 s?1條件下的熱變形機制主要為動態(tài)回復，在1050～1200 ℃/0.01～0.1 s?1條件下為動態(tài)再結(jié)晶；熱變形激活能為505 kJ/mol，預測應(yīng)力與實驗應(yīng)力的線性相關(guān)系數(shù)2為0.9878。在真應(yīng)變?yōu)?.69時，SUS304不銹鋼熱加工的優(yōu)選區(qū)間為1000～1100 ℃/0.01～0.02 s?1，變形主導機制為動態(tài)再結(jié)晶。

奧氏體不銹鋼；3D熱加工圖；熱變形；動態(tài)再結(jié)晶

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性和韌塑性，被廣泛應(yīng)用于建筑、食品、醫(yī)療、化工和交通等領(lǐng)域[1]。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和社會需求的增加，奧氏體不銹鋼強度不足的問題越來越突出[2—3]。通過調(diào)控奧氏體不銹鋼的加工工藝可以改善其組織，如熱軋能夠均勻鑄態(tài)組織、減少缺陷、細化晶粒，是提高其力學性能的主要手段，也是奧氏體不銹鋼熱加工工藝的研究重點[4]。

許多學者研究了奧氏體不銹鋼的熱變形行為，對動態(tài)再結(jié)晶和流變失穩(wěn)的發(fā)生機制還有爭論[5—10]。李娜娜等[5]對軋制態(tài)254SMo奧氏體不銹鋼的熱變形行為進行了研究，并構(gòu)建了本構(gòu)模型和熱加工圖，發(fā)現(xiàn)高溫低應(yīng)變速率下容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。楊雨童等[6]在研究304和304L不銹鋼時發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變?yōu)?.6時，高溫低應(yīng)變速率下容易發(fā)生流變失穩(wěn)。Mohamad-izadeh等[7]通過建立3D熱加工圖研究了雙相不銹鋼的熱變形行為，形象地顯示了功率耗散效率隨著應(yīng)變的變化趨勢。Chen等[8]建立了316L不銹鋼的3D熱加工圖，認為加工失穩(wěn)的原因主要是局部流動。通過建立3D熱加工圖來研究熱變形行為，對優(yōu)化合金的熱加工區(qū)間，預測熱加工后的性能，避開失穩(wěn)區(qū)域等意義重大[7—12]。

文中對SUS304不銹鋼在850～1200 ℃寬幅溫度區(qū)間進行了熱模擬研究，在應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行了本構(gòu)分析，建立了3D熱加工圖，以更直觀的方式研究了奧氏體不銹鋼的熱變形行為和變形機制，獲得了最佳工藝參數(shù)和流變失穩(wěn)區(qū)間。

1 實驗

材料是SUS 304奧氏體不銹鋼，具體成分如表1所示。從厚度為30 mm的熱軋板上垂直于軋制方向切下直徑為10 mm，高度為15 mm的圓柱形壓縮試樣。經(jīng)1050 ℃/30 min固溶處理后進行壓縮實驗。

使用Gleeble-3500熱力模擬實驗機進行軸向等溫壓縮實驗。實驗前使用800#砂紙?zhí)幚碓嚇觾啥?，添加石墨片和潤滑劑?5%石墨+20%機油+5%硝酸三甲苯脂，質(zhì)量分數(shù)）減少摩擦的影響。熱壓縮實驗流程如圖1所示，溫度范圍為850～1200 ℃，變形量為50%，變形速率為0.01，0.1，1 s?1，變形之后水淬。

表1 SUS304奧氏體不銹鋼的成分（質(zhì)量分數(shù)）

Tab.1 Composition of SUS304 austenitic stainless steel (mass fraction) %

圖1 熱壓縮實驗流程

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過熱壓縮實驗所得到的真應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。當應(yīng)變速率較低，為0.01 s?1時，在變形開始階段，溫度為850 ℃的曲線迅速上升之后進入緩慢提升階段，隨著溫度的提高，曲線迅速上升到峰值，然后處于長期軟化和硬化僵持狀態(tài)；當溫度為1200 ℃時，隨著變形速率的降低，曲線在到達峰值之后的走向更加平緩。根據(jù)Prasad和Ravichandran等[13]的研究，材料的動態(tài)再結(jié)晶主要分為界面生成和界面遷移，即晶粒的形核和長大過程。由于在高速和低溫狀態(tài)下，材料所需的熱激活能更多，晶界生成和遷移的動力不足，軟化機制主要為動態(tài)回復；而在高溫和低速狀態(tài)下，材料的軟化機制主要為動態(tài)再結(jié)晶，所以表現(xiàn)為更平穩(wěn)的動態(tài)軟化和加工硬化僵持狀態(tài)，這是由于更高的溫度提供了更大的動態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動力，更慢的應(yīng)變速率提供了更長的時間來讓晶界充分生成和遷移。所以SUS304不銹鋼在高速低溫下的主要軟化機制為動態(tài)回復，在高溫低速下的主要軟化機制為動態(tài)再結(jié)晶。

當應(yīng)變速率為0.1 s?1、變形溫度為950～1050 ℃時，如圖2b所示，流動應(yīng)力達到屈服點，經(jīng)過動態(tài)軟化和加工硬化的僵持階段后，隨著應(yīng)變的增加而不斷增加。該條件下動態(tài)軟化是由動態(tài)再結(jié)晶導致的，但由于變形溫度較低且變形速率較高，位錯缺乏足夠的激活能和時間，隨著應(yīng)變進一步增加，加工硬化占據(jù)優(yōu)勢。在變形溫度為1100～1200 ℃時，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈波浪的趨勢，說明軟化和硬化交替占據(jù)優(yōu)勢。這是因為奧氏體不銹鋼是低層錯能合金，在熱變形時，亞晶的長大受到層錯的阻礙，延緩了亞晶發(fā)展為晶粒的進程，動態(tài)再結(jié)晶表現(xiàn)出“不連續(xù)”的特征，屬于不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶（Discontinuous dynamic recrystallization，DDRX）[14—15]。

圖2 不同應(yīng)變速率下SUS304不銹鋼的真應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 本構(gòu)方程

為了解釋材料在高溫下的流變行為，并預測金屬流變應(yīng)力和求解熱激活能，對熱加工圖提供驗證，Arrhenius雙曲正弦模型已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于描述金屬材料的高溫變形行為。

根據(jù)Sellars等的研究，材料在熱變形時的流變應(yīng)力可被描述為式（1—3）[16—17]：

Zener等為了提高方程的精度，提出參數(shù)來補償溫度對應(yīng)變速率的影響，如式（4）所示[18]。

設(shè)熱變形激活能與變形無關(guān)，對式（1—4）兩邊求對數(shù)可得式（5—8）：

當應(yīng)變速率恒定時，設(shè)激活能不變，則式（3）可求偏導為式（9）：

綜上所述，可以求出SUS304奧氏體不銹鋼在50%應(yīng)變時的本構(gòu)方程為：

在得出本構(gòu)方程之后，對本構(gòu)方程的精度進行驗證，將本構(gòu)方程預測應(yīng)力值與實驗應(yīng)力值進行線性回歸分析，如圖3f所示，其相關(guān)系數(shù)2為0.9878。該本構(gòu)方程具有較好的精度。

2.3 熱加工圖

基于動態(tài)材料理論（Dynamic material model，DMM）的熱加工圖能夠進一步解釋材料的熱變形行為，表達材料的優(yōu)選加工區(qū)間并避開失穩(wěn)區(qū)域[19—21]。動態(tài)材料理論認為，材料在熱加工時，外界輸入的能量一般有兩個消耗方向：一部分能量用于材料的變形行為，另一部分用于組織演變。其關(guān)系一般表達為式（11）。

圖3 計算本構(gòu)方程所需的擬合關(guān)系和本構(gòu)方程的精確性驗證

式中：為材料常數(shù)，根據(jù)式（12），則有：

將=1時的耗散定義為最大理想耗散max，可得式（14）：

一般認為理想耗散下的max與應(yīng)為線性關(guān)系，Prarsad等[21]將變形中實際用于組織變化的能量與理想耗散max的比值定義為功率耗散因子，如式（15）：

基于η可以在-T體系中，構(gòu)建材料的3D功率圖如圖4所示。功率耗散因子η在1050 ℃/0.01 s?1附近達到峰值為43%，表示為紅色；低功率區(qū)域主要集中在低溫高速區(qū)域，表現(xiàn)為藍色。

并非所有的耗散因子高就一定熱加工性能好，該條件還有可能處于失穩(wěn)區(qū)域。一般使用Prarsad等[20]提出的失穩(wěn)判據(jù)。

當ξ小于0的時候，認為該條件處于加工失穩(wěn)區(qū)域。基于式（16）所得到的數(shù)據(jù)可以構(gòu)建3D流變失穩(wěn)圖，如圖5所示，該曲面在藍色平面（ξ=0）以下的部分都屬于失穩(wěn)區(qū)域，其失穩(wěn)判據(jù)ξ均小于0。材料在中高溫區(qū)域變形更加穩(wěn)定。

圖6 0.69真應(yīng)變下的SUS304不銹鋼熱加工圖

對比溫度和應(yīng)變速率對功率耗散系數(shù)的影響，如圖7所示，實驗鋼的熱加工效率受應(yīng)變速率的影響比較顯著，隨著應(yīng)變速率的提高，功率耗散系數(shù)顯著降低；此外，實驗鋼在950～1150 ℃區(qū)間的溫度變化較敏感。

圖7 溫度和應(yīng)變速率對功率耗散系數(shù)η的影響

圖8為SUS304不銹鋼在變形溫度為1050 ℃，應(yīng)變速率分別為0.01 s?1和1 s?1下的顯微組織。當變形溫度為1050 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s?1時，該條件對應(yīng)的功率耗散系數(shù)大于37%，如圖5a所示，微觀組織表現(xiàn)為完全再結(jié)晶狀態(tài)，一部分晶粒明顯長大。當應(yīng)變速率提升到1 s?1時，根據(jù)Prasad失穩(wěn)判據(jù)，該變形條件處于失穩(wěn)區(qū)域，可能發(fā)生加工失穩(wěn)；同時，該條件對應(yīng)的功率耗散系數(shù)小于16%，如圖8b所示，該條件對應(yīng)的微觀組織也發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，但晶粒尺寸較小，晶界密度較高，還存在有少量剪切帶，導致該條件下進行熱變形的變形抗力較高，容易發(fā)生失穩(wěn)[22]。在兩種條件下進行熱加工的SUS304不銹鋼存在一定數(shù)量的變形孿晶，阻礙了晶界的遷移，抑制了再結(jié)晶長大，提高了變形抗力。

圖8 SUS304不銹鋼在1050 ℃以不同應(yīng)變速率變形的顯微組織 Fig.8 Microstructure of SUS304 deformed at 1050 ℃ with different strain rates

3 結(jié)論

1）基于850～1200 ℃溫度下熱變形峰值應(yīng)力建立了SUS304奧氏體不銹鋼的0.69真應(yīng)變下的本構(gòu)方程，熱激活能約為505 kJ/mol，本構(gòu)方程預測應(yīng)力值與實驗應(yīng)力值線性回歸分析后的相關(guān)系數(shù)2為0.9878。

2）建立了SUS304奧氏體不銹鋼的3D熱加工圖，確定了最佳變形條件：在真應(yīng)變?yōu)?.69時，變形溫度為1000～1100 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.02 s?1，此時熱變形的主要機制為動態(tài)再結(jié)晶。3D熱加工圖中失穩(wěn)區(qū)域出現(xiàn)的主要原因是剪切帶阻礙了晶界遷移。

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Hot Deformation Characterization of SUS304 Stainless Steel Based on 3D Processing Map

DING Hao-chena, ZHAO Yan-juna,b, HU Zhi-liua,b, ZHANG Jing-ruia, PANG Xing-zhia

(a. School of Resources, Environment and Materials; b. Guangxi Key Laboratory of Processing for Non-Ferrous Metals and Featured Materials, Guangxi University, Nanning 530004, China)

This paper aims to investigate the rheological behavior of SUS304 at high temperature. The isothermal compression of SUS304 austenite stainless steel was carried out by Gleeble-3500 thermal simulator at deformation temperature of 850-1200 ℃, strain rate of 0.01-1 s?1and true strain of 0.69. The Arrhenius-type constitutive equations based on the data of peak flow stress and the 3D hot processing map were established. The results show that high temperature (1050-1200 ℃) and low strain rate (0.01-0.1 s?1) benefit the occurrence of dynamic recrystallization; The main softening mechanism is dynamic recovery at conditions of 850-1050 ℃/0.1-1 s?1. The apparent activation energy is 505 kJ/mol and the correlation coefficient (2) considered to be linear relationship between the predicted and experimental flow stress is 0.9878. The optimized hot processing parameter is 0.69/1000-1100 ℃/0.01-0.02 s?1, and the main mechanism of deformation is dynamic recrystallization.

austenite stainless steel; 3D processing map; hot deformation; dynamic recrystallization

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.011

TG335.11

A

1674-6457(2021)03-0097-07

2021-03-16

廣西創(chuàng)新驅(qū)動項目（AA18242003-3）；國家自然科學基金（51661004）；廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室項目（GXYSSF1809）

丁浩晨（1996—），男，碩士生，主要研究方向為金屬材料的制備與表征。

趙艷君（1971—），女，博士，副教授，主要研究方向為先進鋁合金和鋼鐵材料的組織性能調(diào)控。