2209雙相不銹鋼的熱加工圖和軟化機(jī)制

張芳萍，曹 宇，成鑫堯，張案案，王 超，趙愛春

(1.太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)性能[2-4]。因?yàn)?209雙相不銹鋼具有高韌性、低脆性、優(yōu)良的抗腐蝕能力以及良好的焊接性能等特點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼的不足[5-8]，因此被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、天然氣、造紙、印刷工業(yè)、石化、建筑和化學(xué)工業(yè)[9]。由于這種材料中鐵素體相和奧氏體相在熱塑性、組織構(gòu)成和力學(xué)特性方面存在差異，因此在熱軋過程中容易產(chǎn)生缺陷。金屬的材料屬性、載荷、操作環(huán)境等因素對疲勞破壞具有綜合而顯著的影響，現(xiàn)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(jìn)行熱塑性研究。這樣才能夠?yàn)樘岣弋a(chǎn)品良品率、提高生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本提供保證，并為以后研究這種材料提供科學(xué)依據(jù)。

我國對雙相不銹鋼性能的研究起步較晚，王振華、馬文遠(yuǎn)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(jìn)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(fā)現(xiàn)較高的變形溫度1 200 ℃不利于奧氏體穩(wěn)定，在1 200 ℃充分保溫后，鐵素體再結(jié)晶晶粒長大。王月香等[17]對2205雙相不銹鋼進(jìn)行了熱變形研究，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的增加，2205雙相不銹鋼主導(dǎo)軟化機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和奧氏體相向鐵素體相的轉(zhuǎn)變。但以上研究均沒有繪制熱加工圖，熱加工圖可以預(yù)測材料在不同熱加工條件下的變形機(jī)制和性能，對材料的塑性加工有著重要的指導(dǎo)意義。劉娟等[18]對金屬材料繪制了的熱加工圖，結(jié)合微觀組織發(fā)現(xiàn)熱加工圖對材料的組織性能有著較好的預(yù)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(chǎn)過程中易產(chǎn)生裂紋等缺陷，目前國內(nèi)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(yàn)機(jī)進(jìn)行單向熱壓縮實(shí)驗(yàn)，建立2209雙相不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理得到不同應(yīng)變下的功率耗散圖、失穩(wěn)圖和熱加工圖，并結(jié)合微觀組織軟化機(jī)制確定其最佳加工區(qū)間，為2209雙相不銹鋼熱加工工藝的設(shè)定提供依據(jù)。

1 Arrhenius本構(gòu)方程的建立

金屬材料的流變應(yīng)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(jù)阿倫尼烏斯本構(gòu)方程可精確地確定高溫變形時(shí)流變應(yīng)力、變形溫度、變形速度之間的關(guān)系?？捎脜?shù)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(yīng)力值下，阿倫尼烏斯型本構(gòu)關(guān)系式

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依照Prasad等提出的動(dòng)態(tài)材料模型構(gòu)建2209雙相不銹鋼的能量耗散圖與失穩(wěn)圖[19-21]。J是金屬在熱變形過程中由材料內(nèi)部微觀組織變換而產(chǎn)生的耗散協(xié)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(nèi)吸收的總功率。

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能量耗散因子(η)與失穩(wěn)判據(jù)(ξ)定義為

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式中，應(yīng)變率敏感性指數(shù)m的表達(dá)式為

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2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料采用2209雙相不銹鋼鑄坯，經(jīng)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(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單項(xiàng)熱壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)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(dá)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(yīng)變速度進(jìn)行單向熱壓縮。樣品變形的壓下量為60%，以獲得0.9的真應(yīng)變，壓縮變形完成后，將試樣放進(jìn)水中淬火。

圖1 2209雙相不銹鋼的熱壓縮試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 2209雙相不銹鋼的力學(xué)性能曲線

如圖2所示為應(yīng)變速率相同時(shí)2209雙相不銹鋼在不同溫度下的力學(xué)性能曲線。在變形的初期，位錯(cuò)密度與應(yīng)力不斷增大，出現(xiàn)明顯的冷作硬化現(xiàn)象。隨著壓縮過程的不斷進(jìn)行，2209雙相不銹鋼持續(xù)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，應(yīng)力增長趨于平緩[22]，另外從三幅圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變速度保持穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)力隨著變形溫度的變化而變化，主要表現(xiàn)為隨著變形溫度的升高，應(yīng)力出現(xiàn)了減小的趨勢。當(dāng)變形的溫度保持穩(wěn)定時(shí)，不同的應(yīng)變速度也將導(dǎo)致應(yīng)力值的不同，主要表現(xiàn)為應(yīng)變速度越大應(yīng)力值也隨之增大。

圖2 2209雙相不銹鋼力學(xué)性能曲線

3.2 本構(gòu)方程構(gòu)建

依據(jù)單向熱壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)構(gòu)建2209雙相不銹鋼的阿倫尼烏斯本構(gòu)方程，對式(1)～(3)取自然對數(shù)可以得到

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圖3 2209雙相不銹鋼的Arrhenius本構(gòu)方程不同參數(shù)之間的關(guān)系

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3.3 功率耗散圖

金屬材料在進(jìn)行熱塑性變形時(shí)，其內(nèi)部的能量損耗與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。熱加工圖可以很好反應(yīng)出材料的性能、變形溫度、應(yīng)變速率、變形量與微觀組織之間的變化規(guī)律，這樣能有效避開金屬材料的熱加工失穩(wěn)區(qū)，找到金屬材料的最優(yōu)加工區(qū)域[14,17]?；贒MM動(dòng)態(tài)加工圖是優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)和控制組織的一種最有效手段。按照DMM模型，兩個(gè)互補(bǔ)的能量: 耗散量G和耗散協(xié)量J共同構(gòu)成每個(gè)單元體積內(nèi)的總功率P。由式(4)所示，應(yīng)變速度敏感指數(shù)m決定了G和J在變形過程中所占的比例，其關(guān)系如式(7)所示，功率耗散效率η和m的關(guān)系可用式(5)描述。

從一般角度來看，當(dāng)功率耗散效率較高時(shí)，表明該區(qū)域內(nèi)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(huì)消耗應(yīng)變能，因此需要把失穩(wěn)圖和耗散圖綜合起來對加工參數(shù)進(jìn)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(wěn)圖

熱加工過程當(dāng)中也存在影響加工的微觀機(jī)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(yīng)用Prasad Y等[19]建立的失穩(wěn)變形區(qū)作為判斷依據(jù)確立的2209雙相不銹鋼的失穩(wěn)圖如圖5所示。

圖5 2209雙相不銹鋼的失穩(wěn)圖

3.5 熱加工圖

通過疊加2209雙相不銹鋼在相同應(yīng)變條件下的耗散圖與失穩(wěn)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(yīng)變下的失穩(wěn)區(qū)。加工失穩(wěn)區(qū)與功率耗散效率隨著應(yīng)變速度的變化而變化，失穩(wěn)區(qū)的比例隨著變形溫度的降低而不斷擴(kuò)大。從圖中可以看出，低溫區(qū)域是失穩(wěn)區(qū)主要分布區(qū)間。說明一定溫度范圍內(nèi)，在溫度較低的條件下不適合進(jìn)行加工。因此，在溫度1 060～1 120 ℃、應(yīng)變率0.35～0.39 s-1以及溫度1 120～1 150℃、應(yīng)變率0.42～0.46 s-1的加工條件下，材料才有良好的力學(xué)性能。

圖6 2209雙相不銹鋼熱加工圖

4 軟化機(jī)制

一般認(rèn)為，鐵素體擁有較高的堆垛層錯(cuò)能(SFE)，因而更易產(chǎn)生位錯(cuò)攀移和交滑移等，從而主導(dǎo)軟化過程，降低變形抗力，這被稱為動(dòng)態(tài)回復(fù)。奧氏體的SFE值較低，易出現(xiàn)位錯(cuò)纏結(jié)，因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生條件比較苛刻，這一點(diǎn)在材料學(xué)界已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。為了研究在不同變形條件下鐵素體和奧氏體的軟化機(jī)制，采用EBSD技術(shù)對應(yīng)變率為0.1 s-1變形溫度分別為950 ℃、1 150 ℃的熱壓縮試樣進(jìn)行了測試。如圖7所示為不同條件下的再結(jié)晶晶粒，亞結(jié)構(gòu)和變形晶粒所占比例。

如圖7所示，950 ℃應(yīng)變速率0.1 s-1的條件下，鐵素體中再結(jié)晶晶粒占51.1%，亞結(jié)構(gòu)占44.2%，變形晶粒僅占4.66%。而此條件下奧氏體中再結(jié)晶晶粒僅占10.8%，變形晶粒占比最多，為59.9%，亞結(jié)構(gòu)占比29.2%?？梢钥闯?，在這種情況下鐵素體的在結(jié)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(jié)構(gòu)和變形晶粒占了絕大部分，這是因?yàn)閵W氏體的位錯(cuò)能比較低，熱變形容易導(dǎo)致位錯(cuò)纏結(jié)與空位缺陷等現(xiàn)象的產(chǎn)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(fù)來進(jìn)行軟化，而且再結(jié)晶過程也存在著一定的滯后現(xiàn)象。這是由于在熱變形過程中，一般由鐵素體先承擔(dān)變形，當(dāng)變形到一定程度后，奧氏體才會(huì)逐漸承擔(dān)變形，并且變形量累積到一定程度后，奧氏體才能達(dá)到再結(jié)晶的能量勢壘，從而發(fā)生再結(jié)晶。

圖7 不同條件下的再結(jié)晶晶粒，亞結(jié)構(gòu)和變形晶粒的占比

1 150 ℃應(yīng)變速率0.1 s-1的條件下，鐵素體中再結(jié)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(jié)晶，此時(shí)奧氏體中的再結(jié)晶比例和鐵素體再結(jié)晶比例非常接近，此時(shí)發(fā)生了鐵素體向奧氏體的相變過程。在1 150 ℃時(shí)，形變儲(chǔ)能由于溫度的升高，達(dá)到了鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的能量勢壘，發(fā)生了鐵素體向奧氏體的相變。因此鐵素體體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，所承擔(dān)的形變也隨之的減少，形變會(huì)逐漸由奧氏體來承擔(dān)，并且在位錯(cuò)密度積累到一定程度后產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象。因此在此條件下奧氏體的再結(jié)晶占比很高。另外，在這種情況下，鐵素體與奧氏體再結(jié)晶程度都比較高，這表明鐵素體與奧氏體都發(fā)生了較高程度的軟化作用。也就是說在該條件下，應(yīng)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(jié)晶程度都比較高，都起到了較大的軟化作用，使得材料的應(yīng)變分布更為均勻，有利于熱加工的進(jìn)行。

5 結(jié)論

(1)本文通過熱壓縮試驗(yàn)得到了2209雙相不銹鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變速度恒定的情況下，應(yīng)力與溫度成反比。對于不同應(yīng)變速度的情況，應(yīng)變速度越高，對應(yīng)穩(wěn)定后的真應(yīng)力也越大。由于材料中存在加工硬化以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致應(yīng)力呈現(xiàn)出先急劇增加后趨于平緩的趨勢。

(2)根據(jù)阿倫尼烏斯型本構(gòu)方程構(gòu)建了0.9應(yīng)變條件下2209雙相不銹鋼的本構(gòu)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(yīng)變率0.35～0.39 s-1以及溫度1 120～1 150 ℃、應(yīng)變率0.42～0.46 s-1適合進(jìn)行加工。

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