316L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為

1、1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷第31卷第12期2009年12月Vol. 31 No. 12Dec. 2009北 京 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報Journal of University of Science and Technology Beijing316L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為項建英1）宋仁伯1）任培東2）1）北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083 2）酒泉鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，嘉峪關(guān)735100摘 要 在Gleeble- 1500熱模擬試驗機(jī)上，通過高溫壓縮實驗對 316 L不銹鋼的動態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究.結(jié)果表明:316 L不銹鋼熱變形加工硬化傾向性較大，在真應(yīng)力應(yīng)變曲

2、線上沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值叩;316 L不銹鋼在熱變形過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，但只是在局部區(qū)域觀察到了動態(tài)再結(jié)晶晶粒.對動態(tài)再結(jié)晶的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到316 L不銹鋼的熱激活能和熱變形方程，并給出了發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變和臨界應(yīng)力以及Zener - Hollomon參數(shù)和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的關(guān)系.關(guān)鍵詞 不銹鋼；應(yīng)力應(yīng)變曲線；動態(tài)再結(jié)晶；熱變形分類號 TG142 171'! ¥ “I占電囂扈 険哨 ' " ；：.：- c& 11lii .a_.wrH .« -e “=.> j 7i 衛(wèi) i. ' uS.*Dyn amic recr

3、ystallizatio n behavior of 316 L sta in less steelXIA NG Jian 2ying1) , SON G Ren2bo1) , REN Pe2dong2)滯:盤飛飛|逸|1) School of Materials Scienceand Engineering , University of Scienceand Technology Beijing , Beijing 100083 , China2) Technological Center , Jiuquan Iron & Steel Co. Ltd , Jiayuguan 735

4、100 , ChinaABSTRACT Dynamic recrystallization (DRX ) in 316 L stainless steel was systematically studied by high temperature compression tests on a Gleeble21500 thermal simulation testing machine. The results show that 316L stainless steel has a large hot work2hardening tendency and there is no peak

5、 stress on its true stress2strain flow curves. DRX occurs in the hot working of 316L stainless steel , but DRX grains can be observed only in the local area of metallographic phase. The activation energy for deformation and the thermal de2 formation equation of 316 L stainless steel were derived aft

6、er the fitting analysis of experimental data of DRX. The critical strain and the critical stress of DRX as well as the relationship between steady state stress during hot deformation and Zener2Hollomon parameter of 316 L stainless steel were obtained.KEY WOR DS stainless steel; stress2strain curve ;

7、 dynamic recrystallization ; thermal deformation7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷316L不銹鋼屬于鉻鎳系奧氏體不銹鋼，由于其優(yōu)良的耐海水腐蝕、耐晶間腐蝕、高溫力學(xué)性能和 沖擊韌性，被廣泛用于管道、換熱器、高溫螺栓和輪 船制造，市場需求量大1-2.動態(tài)再結(jié)晶是發(fā)生在 熱變形過程中的一種重要的軟化機(jī)理，對晶粒大小、形態(tài)以及后續(xù)的靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生有著重要的 影響.因此研究316L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶機(jī)理，對 控制晶粒大小、形態(tài)和均勻程度，改善材料性能有 直接的指導(dǎo)作用，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價 值.本文從高溫壓縮實

8、驗出發(fā)，對316L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了 316L不銹鋼的高溫變形特征和真應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到了動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界條件，并運用數(shù)學(xué)分析方法得到了熱變形方程.這些結(jié)果為316L不銹鋼動態(tài)再結(jié) 晶的理論發(fā)展和實際生產(chǎn)提供了參考.1實驗材料及實驗方法實驗材料取自工業(yè)生產(chǎn)的大型 316L不銹鋼連 鑄坯，取樣位置為鑄坯橫截面的 1/4處，并機(jī)加工 成8 mm X12 mm的Rastegaev標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣 .試 樣的化學(xué)成分見表1.高溫壓縮實驗在Gleeble - 1500熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行.采用圓柱形碳化鎢作為壓頭，在壓縮試樣 端部涂抹一層MoS2高溫潤滑劑，以減少變形過程 中試樣與

9、壓頭之間的摩擦，保證壓縮變形的均勻性和穩(wěn)定性.實驗采用的變形溫度分別為950,1 000,7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷收稿日期：2009203226作者簡介:項建英（1985 ）,男,碩士研究生；宋仁伯（1970 ,男,副教授,博士 , E2mail: songrbmater. ustb. edu. cn©& ChrnaJoibulaI klcctronx relishing House. All righrs rescued, httpenki.nrr表1316L不銹鋼試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1Chemical co

10、mposition of 316Lstainless steel%CSiMnPSNiCrCuMoN0101601510111100102201001101110161320010302106001032 07?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷1 050,1 100,1 150,1 200 和 1 250 C,應(yīng)變速率分別 為 0101 ,011 ,015,1,215,5 和 10s- 1.試樣以 10 C?s 1的加熱速率加熱到變形溫度并保溫2 min ,以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度，然后在變形溫度下以不同?的應(yīng)變速率&壓縮到真應(yīng)變0191（工程應(yīng)變約6

11、0%）,壓縮熱變形結(jié)束瞬間噴水快速冷卻，以凍結(jié)奧氏體不銹鋼高溫變形后的形變組織 .然后制備 試樣觀察顯微組織，采用（FeCb + HCI + H20）溶液 侵蝕試樣.2實驗結(jié)果及分析211316L不銹鋼變形抗力的變化規(guī)律圖1是316L不銹鋼高溫壓縮的真應(yīng)力應(yīng)變曲線.不銹鋼高溫壓縮變形過程一般可分為兩個階段：第1階段為強加工硬化階段，即在變形開始時 隨著應(yīng)變的增加，位錯不斷增殖，位錯的交互作用 又增大了位錯運動的阻力，應(yīng)力迅速上升，呈現(xiàn)明顯的加工硬化；第2階段是穩(wěn)加工硬化階段，當(dāng)應(yīng)7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷0.«.O1J2

12、7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷圖1316 L不銹鋼高溫壓縮的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線.(a) 7= 0101 s-I (b) T = 1 250 CFig. 1 True stress2strain curves of 316 L stainless steel in high temperature compression tests : (a) ? = 0101 s-1 ; (b) T = 1 250 C變達(dá)到軟化的臨界應(yīng)變時（包括動態(tài)回復(fù)臨界應(yīng)變和動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變）,晶粒便開始了軟化過程，但軟化作用始終抵消不了加工硬化的作用.由圖1可以看出316L不銹

13、鋼流變應(yīng)力的特點，即在整個變形過程中加工硬化都存在，流變應(yīng)力一直增加,沒有出現(xiàn)通常的流變應(yīng)力峰值現(xiàn)象.212316L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變經(jīng)典判斷動態(tài)再結(jié)晶的方法是判斷應(yīng)力應(yīng)變曲 線上是否出現(xiàn)峰值,而不出現(xiàn)明顯峰值特征的應(yīng)力 應(yīng)變曲線通常被認(rèn)為與動態(tài)回復(fù)有關(guān)3.然而 Poliak和Jon as指出，對于某些奧氏體不銹鋼，雖然在實驗室條件下做出的應(yīng)力應(yīng)變曲線上沒有出現(xiàn) 峰值，但材料在變形過程中是可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶 的，因此用是否出現(xiàn)峰值來考慮再結(jié)晶顯然是不 夠.Poliak、Medina 和 McQueen等4-6發(fā)現(xiàn),奧氏體 不銹鋼的動態(tài)再結(jié)晶過程中曲線9 -八in9- ln和ln 9 -

14、7 （9 = 5刃5 & , c為真應(yīng)力，£為真應(yīng)變）出現(xiàn) 偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)點即為動態(tài)再結(jié)晶的開始.如圖1和圖2（a）所示，雖然316L不銹鋼的真 應(yīng)力應(yīng)變曲線上沒有出現(xiàn)典型的流變應(yīng)力峰值現(xiàn)象，但這并不能說明 316L不銹鋼在變形過程中沒 有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，應(yīng)力峰值不是判斷動態(tài)再結(jié)晶 的必要條件7.從數(shù)學(xué)角度上分析，動態(tài)再結(jié)晶開始的臨界點 在曲線9 - c、|n 9 - in c和ln 9 - £的偏轉(zhuǎn)點上意味著 （5B/5O?與加工硬化率y£成正比4.根據(jù)定義，規(guī)范化的加工硬化率為在動態(tài)再結(jié)晶啟動時9c£?,c= «=C cc式(2)等價

15、于：（C為常數(shù)）5ln c?7 ,c(1)因此在ln 9 -ln c曲線上也可以看到動態(tài)再結(jié)晶開始的偏轉(zhuǎn)點.同樣式（2）也可以改寫成r x <口 r 97? = l 57因此在ln 9-7曲線上也能反映動態(tài)再結(jié)晶的開始實際上，式（3）、式 是利用傅里葉變換將式7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷7?1556北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷©Cllima /tcadcmic Joiimal EkctrMix Publishing Husc- AH rigtils rescued. hltp-ww criki.ncr7?第12期項建英等：316 L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為155730EdsD4

16、0ooT= 200 弋£（A>-0.0| s'15-' 頁匚 y-o.5 r' icoj-ajs'120016020FEB(c9 8 7 6 5 rtd 京-All.6Hin 4.04-2444.64.K5.0Ini（T Al Pa）圖2316 L不銹鋼在1200 C變形的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和加工硬化曲線.（a） 一 £曲線；（b） 0-。曲線；（c）lnO-lna曲線；（d）lnO-£曲線Fig. 2 True stresS2stra in curves a nd work2harde nin g curves of 316L

17、 sta ini ess steel compressedat 1 200 "C： （a） c£ curve ; （b） 02t curve, （c） In 02 In a curve ; （d） lnO£ curve第12期項建英等：316 L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為1557(2)對應(yīng)的曲線變得更加光滑和準(zhǔn)確.從式(3)對應(yīng)的ln 0-l n a曲線可以得出動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng) 力值，而從式(4)對應(yīng)的In0 -£曲線可以得出動態(tài) 再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變.圖2(b)(d)為316 L不銹鋼在變形溫度為1 200 C、變形速率分別為 0101 , 011 ,

18、 015和215 s-1 下的加工硬化曲線.圖中箭頭處為加工硬化曲線的 偏轉(zhuǎn)點，表示在此處開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶.由 圖2(b)、(c)曲線的偏轉(zhuǎn)點可以得到相應(yīng)變形條件 下動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)力值ac,由圖2(d)中曲線的偏轉(zhuǎn)點可以得出動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變 £c.由于316L不銹鋼的流變應(yīng)力曲線上沒有明顯 的峰值應(yīng)力，因此無法定義 ac/ ap和£c/ £p ,這種情 況下通?？梢钥紤]將穩(wěn)態(tài)應(yīng)力as作為最大的流變應(yīng)力，因此在動態(tài)再結(jié)晶開始時可以根據(jù)ac/ as這一比值得到穩(wěn)態(tài)應(yīng)力as.表2是316 L不銹鋼在1 200 C不同的變形速率下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的穩(wěn)態(tài) 應(yīng)

19、力值as和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值£s.圖3是與圖2中的變形條件相對應(yīng)的高溫形變 微觀組織.由圖可知，在各個變形條件下，變形過 程中都有不同程度動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生.但從總體來看,再結(jié)晶等軸晶粒分散地分布在金相圖中，動態(tài)再表21 200 C時316 L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶的實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of dynamic recrystallization in 316 L stain2 less steel at 1200 C?£ac/ MPaaj MPa£ c£s0101381542170107011201146135114010601100

20、1562167515010801132157313811401090115結(jié)晶發(fā)生在局部區(qū)域，這也許就是316L不銹鋼動 態(tài)再結(jié)晶的特點之一，即其在高溫變形時會發(fā)生動 態(tài)再結(jié)晶，但動態(tài)再結(jié)晶不完全，在微觀組織的局 部區(qū)域發(fā)生，因此其軟化作用不能完全抵消加工硬 化的作用.213 316L不銹鋼的熱變形方程動態(tài)再結(jié)晶是由熱激活能控制的過程，與Z參數(shù)(Zener-Hollomon參數(shù))有關(guān)8. Z 一般表示為：?Z = sexp ( Q/ RT) = f ( a)(5)?式中，£為變形速率；Q為熱變形激活能；R為摩 爾氣體常量；T為熱力學(xué)溫度；f(a)為應(yīng)力函數(shù)， 為了計算方便，常取峰值應(yīng)

21、力ap或者穩(wěn)態(tài)應(yīng)力as, 在本實驗中，由于316L不銹鋼沒有明顯的峰值應(yīng) 力，因此采用穩(wěn)態(tài)應(yīng)力as來表達(dá)應(yīng)力函數(shù).應(yīng)力函第12期項建英等：316 L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為1557第12期項建英等：316 L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為1557熾陰牛2&1 & ChiM Academic JouniJ bkclronx Fttilishine HouseAll rigtirs reserved第12期項建英等：316 L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為15571558北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷圖3 316 L不銹鋼在1 200 C下不同變形速率的高溫形變組織.(a)纟=o1ois-1; (b) ?=01

22、1s-1; (c) ? = 0l5s-1; (d) ?=2l5s-1Fig. 3 Microstructures of 316L stainless steel hot2deformed at 1 200 "C and different strain rates: (a) ? = 0101s-1; (b) I = 011 s- 1; (c) I = 015 s-1 ; (d) ? = 215 s- 1數(shù)f (0有以下幾種表現(xiàn)形式：1人(6)f &) = Bexp (B(rs)(7)乂 A sinh(acrs) n(8)式中，A'、n'、B、A和n為常數(shù).式為

23、幕函數(shù) 模型，適用于高溫低應(yīng)變率條件；式(7)為指數(shù)函數(shù)模型，適用于低溫高應(yīng)變率條件；式(6)、式(7)可合并為式(8),為雙曲正弦函數(shù)模型，此模型可描述所有熱變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶過程，其中a可由式(6)幕函數(shù)模型中的n'與式(7)指數(shù)模型中的B共同確定，即a = 3/ n'9.再將式(5)與式(8) 合并，則Z參數(shù)可完整表示為：?nZ = sexp( Q/ RT) = A sinh(acrs)(9)式變換得到：?s = A sinh (a(rs) nexp ( - Q/ RT)(10)其對數(shù)形式為：?In s =ln A + nln sinh(as) - Q/ RT (11

24、) 采用麥夸特法和通用全局優(yōu)化法10進(jìn)行回歸,可以得到系數(shù)a = 01013 , A = 4147 X1015, n =14112, Q =4501218 kJ?mol-.故 316L 不銹鋼的熱 變形方程為：?154112s =4147 X10 sinh(01013bs) 1exp(- 450218/ RT)(12)熱變形激活能 Q是軟化過程難易程度的表征.本次實驗研究得到的 316L不銹鋼的熱變形激活能 為Q =4501218 kJ?mol-1 ,略低于316不銹鋼的熱 變形激活能 454kJ?mol-111.圖4為應(yīng)變速率對穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的影響曲線.由圖可知，在同一變形溫度下，316 L不銹鋼

25、的9ln sinh(a(is)與ln s呈線性關(guān)系，隨著應(yīng)變速率的 增加，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力呈線性增加.Z參數(shù)被廣泛用來表示變形溫度以及應(yīng)變速率 對熱變形過程的綜合作用，通過已求得的熱變形激 活能Q值，由式(10)可以計算出316L不銹鋼熱變 形的Z參數(shù).由圖5可以看出，隨著Z值的增加， 316L不銹鋼的熱變形穩(wěn)態(tài)應(yīng)力也相應(yīng)增加.圖4、圖5曲線幾乎一致，主要是因為參數(shù)Z?與S的比值是一個不變的數(shù)值，由式(9)可知此數(shù)值?等于 exp ( Q/ RT) , ln Z = ln s + Q/ RT ,即 ln sinh(ao-s)與 In Z 的線性關(guān)系就是 ln sinh( acrs) 與(In s+ q

26、/ rt)的線性關(guān)系，因此兩曲線斜率一 樣，但截距相差 Q/ RT.1558北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷1558北京科技大學(xué)學(xué)報第31卷© 字出Joiinis上IccItmix Fyfrilishing House- All rigtils rcscr'cd.httpKwww ciiki.nrr第12期項建英等：316 L不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶行為1559-onIrKf S ')Q.S -F= l 200圖4316L不銹鋼熱變形穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系Fig. 4 Relationship between steady state stress during hot defor

27、ma2tion and strain rate of 316 L stainless steelInZKDtiHIU-旦Ll_圖5 316L不銹鋼熱變形穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與 Z參數(shù)的關(guān)系Fig. 5 Relationship between steady state stress during hot deforma2tion and Z parameter of 316L stainless steel3結(jié)論(1) 316L不銹鋼在整個變形過程中流變應(yīng)力一直增加，沒有出現(xiàn)通常的流變應(yīng)力峰值現(xiàn)象.但是金相組織觀察表明，316L不銹鋼在高溫變形過 程中確實發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，不過動態(tài)再結(jié)晶不完 全,僅在局部

28、區(qū)域發(fā)生.正是這種軟化作用不能完 全抵消加工硬化作用，才造成整個變形過程中流變 應(yīng)力一直增加.因此不能利用是否出現(xiàn)流變應(yīng)力峰值來判斷是否發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而應(yīng)該利用B- 6、In 0 -ln 6或in B - e曲線上是否出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)來判斷動態(tài) 再結(jié)晶發(fā)生與否.(2) 采用麥夸特法和通用全局優(yōu)化法對給定的熱變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到1316L不銹鋼的熱變形激活能為4501218 kJ?mol ,其熱變形方程為：?154112e =4147 X10 sinh(010136) 1 ?exp(- 450218/ RT).?(3) 316L 不銹鋼的 In sin h ( a(rs)與 ln

29、e呈線?性關(guān)系，即穩(wěn)態(tài)應(yīng)力6s隨著應(yīng)變速率？的增加而增 加,ln sinh (a6s)與“ Z也呈線性關(guān)系，且兩曲線 斜率一樣，截距相差Q/ RT.參考文獻(xiàn)1 Ding B F , Wu Y , Cao B , et al. Martensite transformation in2 duced by deformation and its phase electrochemical behavior for stainless steels AISI 304 and 316L. J Univ Sci Tech nol Beiji ng , 2002 , 9(6) : 4372 Lin H G

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