雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理

1、第27卷第1期2005年2月Vol.27 NoFeb. 2005北京科技大學(xué)學(xué)報Journal of University of Science and Technology Beijing雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理張沛學(xué)“任學(xué)平“謝建新”張炳哲薜韓文殿即宋杰引京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083 2）濟(jì)謝股份冇限公司技術(shù)中心，濟(jì)南2501013）濟(jì)例股份冇限公可生產(chǎn)部，濟(jì)南250101摘要從材料的晶休結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究了雙和不銹鋼超教性變形的機(jī)理.利用背散射電子衍 射花樣分析系統(tǒng)（BBSD）,獲得了雙相不銹鋼變形過種中的ODF圖、極圖和取向與轉(zhuǎn)軸分布 等胡體取向分布規(guī)律.結(jié)介透射電懺対微

2、觀組織的觀蔡給果進(jìn)行了綜介分析.研究衣明，雙III 不銹鋼超和性變形的機(jī)理為形變誘導(dǎo)析出和動態(tài)再結(jié)品、晶界滑移以及變形中的晶粒轉(zhuǎn)動. 關(guān)鍵詞 超塑性；織構(gòu)；相變；取向分類號 TG 113.253第27卷第1期2005年2月Vol.27 NoFeb. 2005第27卷第1期2005年2月Vol.27 NoFeb. 2005在20世紀(jì)40年代，Hi蘇聯(lián)學(xué)者bouBap采用 溶解沉積理論解釋超犁tt.變形的大延伸變形機(jī) 理，后乂有人用動態(tài)再結(jié)品和亞穩(wěn)態(tài)理論來解釋 了超塑性變形特征叫70年代人們才認(rèn)識到超塑 性變形主耍是晶界行為，對超塑性機(jī)理的認(rèn)識發(fā) 生了很大的變化，出現(xiàn)了許多描述晶界運動過程 的模型

3、叫按照現(xiàn)代觀點，晶界滑移為晶界位錯滑 移和攀移的結(jié)果，位錯攀移與擴(kuò)散密切相關(guān)，是 速控過程.而胡界位錯運動速度和擴(kuò)散I j晶界結(jié) 構(gòu)密切和關(guān).允到現(xiàn)任，冇關(guān)雙相不銹鋼的超瞰 性變形機(jī)理的研究很少，結(jié)論也不相同.本文在對雙相不銹鋼微觀組織變化進(jìn)行系 統(tǒng)分析的皋礎(chǔ)上,試圖再通過背散射電f衍射 花樣分析系統(tǒng)（EBSD）,從晶體取向和織構(gòu)的角 度，分析超瞰性變形不同階段的晶體取向的變化 規(guī)律，進(jìn)而更全面地透視雙相不銹鋼趙刑性的變 形機(jī)理.1實驗過程實驗用雙和不銹鋼材料為實驗室I制的 OOCmNiMeWiiCuN,其化學(xué)成分如表1所示.經(jīng) 電爐冶煉拆電渣重熔（ESR）,鑄錠后鍛造成截仰 為16 mmx5

4、0 mm的丸形坯，經(jīng)1250 *C保溫30 min 的固溶處理后，再表面淸理,直接冷軋到厚度為 收稿日期：2003-09-05修改日期；2004-04-10基金項目：北京ilJ科委曬金衣助項H （No. 9550310900） 作者簡介：張沛學(xué)（1966->,男.博上研究生2mm,冷軋變形fit 87%.恒溫?zé)崂斓脑嚇友刂堉品较蚣?，?biāo)距 的長、寬和M弧倒角分別為10. 6. 2.5 mm .恒溫?zé)?拉伸實驗是在裝仃特種加熱爐的材料實驗機(jī)上 進(jìn)行的.試件在加熱爐中以2C/S的加熱速度加 熱到變形溫度看,保溫3 min,然后分別以不同的 血變速率進(jìn)行* i溫?zé)崂鞂嶒?對預(yù)先設(shè)定的超 犁

5、性變形不同階段的試件進(jìn)彳J' EBSD取樣,EBSD 試樣的制備采用能消除表面應(yīng)力的電解拋光和 電解侵蝕.表1實驗用雙相不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)呈分?jǐn)?shù)）able 1 Chemical composition of the steel%CSiMnPSCr0.0210.470.830.0230.00224.16NiMoWuCuNFe7.212.870.340.4807余雖2實驗結(jié)果在對試件進(jìn)行EBSD分析時，已知衍射圖上 三條不平行菊池帶的夾角或菊池軸間距、衍射圖 中心距衍射源（試樣表Ifll）的距離，便可以確定晶 帶（軸）的指數(shù)，并根據(jù)菊池帶相對于外界坐標(biāo)系 的方向算出晶粒的取向圖1是雙相不

6、銹鋼任超 犁性變形開始階段的菊池線.女相不銹鋼超塑性變形不同階段的胡體取 向有如圖2所示的結(jié)果.在超塑性變形開始|jij,Vol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 69 0 12(町超犁性變形開始前0 100 040 020 080 0601020304050600圖1雙相不銹鋼超塑性變形指定點的菊池線Fig.l Kikuclii patterns during superplastic derorniation of the duplex stainless steel如圖2 (a)所示，各晶粒的取向差主要為低于10。 的小角度晶界；在超塑性變形進(jìn)行到100%后，如 圖2(b

7、)所示，備晶粒的取向差冇増大的趨勢，開 始向大角度晶界轉(zhuǎn)變.而當(dāng)超犁性變形就遠(yuǎn)大于 100%以后，即在超型性變形的后期，已和超塑性 變形開始時的晶體取向明顯不同,晶粒Z間的取 向差幾乎全部是大角度晶界,取向差平均增大到 40。的髙水平，實驗結(jié)果如圖2(c)所示.通過對雙相不銹鋼超舉性變形不同階段的 晶體取向變化的反極圖分析，可以看出，在軋向 上，盡管試樣的變形雖:和簽很人，但與變形詢的 tft況相比其取向密度變化均不大；但在法向上, 比較趙瞰性變形不同階段的反極圖可以看出，在 超塑性變形過程中織構(gòu)發(fā)生了由強到弱的變化. 實驗結(jié)果如圖3所示.0 06(b)超型性變形進(jìn)行至100%0 0310.0

8、50 040.02OOP00102030405060晶休取向差/(°)圖2雙相不銹鋼超塑性變形不同階段的晶體取向差. 變形溫度為96(FC，應(yīng)變速率為2x10-s-Fig.2 Orientation during superplastic deformation. Do rormation temperature. 960 C； strain rate« 2x10 * s_,Vol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 # Vol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 # 0010-變形開始c mVw獨Ta“ MI:HtLIrgam 伽 iM變形開始

9、Vfwl* 亠*JL0t> "-rr刀任卸we* in3CU) poKr10-伯2變形100%101變形后期wWimlrvMI JC.wVol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 # 圖3超塑性變形的不同階段的軋向(RD)和法向(ND)的反極圖變形溫度為960C,應(yīng)變速率為2xl0"sFig.3 Inverse pole figures in RD and ND during superplastic deformation. Deformation temperature, 960*C； strain rate, 2x101Vol.27 No.l張沛學(xué)

10、等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 71 3討論與分析在超敘性變形不同階段，形變誘導(dǎo)Y相析出 和&相動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化了&和Y組織"，足獲得適 宜于超須性變形組織的帝要途徑.根據(jù)雙相不銹鋼超槊性變形不同階段的晶 體取向的實驗結(jié)果可知:超塑性變形開始時,由 于晶界結(jié)構(gòu)以小角度晶界為主，晶界?；移難以產(chǎn) 生，致使超鞏性變形所需的變形能升高，表現(xiàn)為 拉伸時流變應(yīng)力不斷増大；在超蜩性變形過程中 晶粒取向差逐漸増加，而當(dāng)超犁性變形進(jìn)行到一 定程度后，晶體取向已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化,出 現(xiàn)以大角度晶界為主的晶界結(jié)構(gòu)，如圖2所示. 這種錯構(gòu)明顯有利于晶界的滑移叫為超塑性變 形過稈的繼續(xù)進(jìn)行提供

11、了條件.此時表現(xiàn)為雙相 不銹鋼趙型性變形的流變應(yīng)力不斷減小，并能長 時間維持在較低的流變應(yīng)力水平.這種晶體取向 的變化可以歸結(jié)為：導(dǎo)入晶內(nèi)的位錯在晶界進(jìn)行 吸收-再配置,從而増加了晶界傾角.研究表明， 在變形初期延伸率低于100%的過程中，晶間的 方位基隨看變形的増加而增加，XZ相不銹鋼細(xì)小 雙相組織中，母相鐵素體的再結(jié)晶使晶內(nèi)位錯向 二次晶粒晶界間吸收-再配置的幾率増大叫這明 顯不同于單相合金在動態(tài)再結(jié)晶條件下變形時 的悄形.單相合金屮并沒何二次陽粒間的方位差 隨變形而增加的現(xiàn)彖,W為在各1次晶粒之間同 一滑移系在活動，只是頻繁產(chǎn)生止負(fù)位錯的介并 消滅.町見在雙相不銹鋼超犁性變形過程中，大角

12、 度晶界的U著增加為晶界滑移創(chuàng)造了條件，表明 晶界滑移是雙相不銹鋼超犁性變形的主要機(jī)理.從圖3所示種變形程度下軋向和法向的反 極圖可以看出：在軋向上，盡管試樣的變形量相 差很大，但與變形liij的悄況相比其取向密度變化 均不大，結(jié)合前面的分析,說明在軋向上基本觀 察不到織構(gòu)的變化叫但在法向上，比較雙相不銹 鋼超和性變形不同階段的反極圖，可以看出在超 犁n變形過程中織構(gòu)發(fā)生了由強到弱的變化這 是由于鐵素體晶粒在滑動過程中因各個方向上 受力不平衡而引發(fā)晶粒轉(zhuǎn)動，瑕可能的轉(zhuǎn)動是沿 橫向坐標(biāo)軸發(fā)生的0型轉(zhuǎn)動，從而使取向密度逐 漸降低而發(fā)生織構(gòu)漫散現(xiàn)象.可見，晶粒轉(zhuǎn)動也 是雙相不銹鋼超犁性變形的機(jī)理之一

13、.它/t”乂相 不銹鋼超塑性變形的厲期作用更人，I対為超刪性 變形的后期未發(fā)現(xiàn)明顯的位錯運動.晶界滑移和晶粒轉(zhuǎn)動在女相不銹鋼超斕性 變形過程中起到了主要作用然而，雙相不銹鋼 超塑性變形詢期的晶內(nèi)位錯運動也不容忽視.由文獻(xiàn)35可以發(fā)現(xiàn)：在収相不銹鋼超塑性 變形開始到進(jìn)行至100%的過程中（特別是雙相 不銹鋼低溫超衆(zhòng)性變形時）都可以發(fā)現(xiàn)位錯的運 動.在這個過程中發(fā)現(xiàn)鐵素體晶內(nèi)存在大戢的位 錯墻和亞晶界.位錯墻常常還與一些滑動位錯發(fā) 生交互作川，仃些交互作川促便位錯墻中位錯產(chǎn) 生交滑移而改變滑移面位錯的交互作用和增 殖，還會促使亞晶界的形成和發(fā)展，亞晶界使兩 邊晶體產(chǎn)生小角度位向差，最終形成亞晶粒.

14、在雙相組織中還可以發(fā)現(xiàn)亞晶粒的內(nèi)部仍 有一些位錯，這些位錯實際上是亞晶粒形成后或 形成過程屮生成的，在亞晶界的網(wǎng)圍可見位錯廉 積和止在聚積的位錯網(wǎng)，如圖4所示.由此說明 在從郴不銹鋼超犁性變形的詢期，品內(nèi)位錯運動Vol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 # Vol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 # 圖4低溫超塑性變形時的位錯固溶處理溫度1250匸，變形溫度為850C,變形§ 100% ,應(yīng)變速率為2.5x10-s «Eig.4 Crystal log) during supcrplastic deformation in lower te

15、mperaturesVol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 73 IF常活躍，這種位錯運動也捉供了 種應(yīng)變協(xié)調(diào) 機(jī)制，對于超犁性變形的貞獻(xiàn)足不容忽視的.盡 管在變形剛開始的初期，丫相被拉長而麻逐漸破 碎成小塊,此時在M A界的位錯密度很低；但隨著 超塑性變形逐漸延續(xù)至100%的這-過程中，在 相界及一些聚積的三叉結(jié)點處形成了大量的位 錯痹積，造成較大的應(yīng)力集中，引發(fā)&相內(nèi)的冇哼 位錯源開動，促成6/丫相之間的變形傳遞過程.此 時，晶界滑移的變形機(jī)制中顯示出位錯滑移發(fā)揮 的巫要作川，但不能忽略位錯塞移運動對超塑性 變形的重耍貢獻(xiàn).可見，晶內(nèi)位錯運動為雙相不 銹鋼前期超犁

16、性變形提供了一定的變形戢.在雙相不銹鋼后期的超衆(zhòng)性變形過程中,6巾 相晶內(nèi)和晶界都沒仃發(fā)現(xiàn)明罷的位錯運動綜上所述，在叔相不銹鋼超塑性變形過程 中，晶界滑移任超犁性變形詢期階毀起到了主要 作用；晶粒轉(zhuǎn)動也是雙相不銹鋼超塑性變形的機(jī) 理Z ，它在雙相不銹鋼超犁性變形的G期作用 更人；帖內(nèi)位錯運動為以和不誘鋼詢期超塑性變 形提供了一定的變形量.4結(jié)論(D4超刻性變形不同階段，形變誘導(dǎo)丫相析 出和§相動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化了&和Y組織,是獲得適 宜于超犁性變形組織的幣:要途徑.(2) &休取向喪明，晶界滑移以及變形中的品 粒轉(zhuǎn)動足雙相不銹鋼主要的超犁性變形機(jī)理.(3) 晶內(nèi)位錯運動為

17、雙相不銹鋼詢期超犁性 變形提供了一定的變形量.(4) 雙相不銹鋼超塑性變形的機(jī)理為.形變誘 導(dǎo)丫相析出和6相動態(tài)再結(jié)晶、晶界滑移以及超犁 性變形過程中的晶粒轉(zhuǎn)動.參考文獻(xiàn)1 仁依勃舍夫(俄)金鹿塾性和超型性.王熬文譯.北京:機(jī) 械工業(yè)出版社，19822 陳浦泉.崔忠斬，趙壇.趙型性研丸的進(jìn)展、方向及變形 機(jī)理.金屬科學(xué)與工藝,1990, 9(2): 163 Zhang P X. Ren X P. Xie J X. Superplastic deformation of commercial 00CrZ2Ni,Mo.N(1|7 duplex stainless steel. J Univ Sci

18、- Tedinol Beijing. 2003. 10(2): 494 張汕學(xué)任學(xué)平謝建尋.00CrnNi,Mo,N從相不銹鋼的 低溫趙駛性研究.塑性工程學(xué)報.2003,10(2):51 張沛學(xué)任學(xué)平.謝建新，等.形變誘導(dǎo)析IB在SAF22O5超 塑組織細(xì)化中的作用北京科技大學(xué)學(xué)報.2004,26(1):56(6 Klaehara Y Ohmori Y Microstractural change during superp 1- astic deformation of fenite/austcnile duplex stainless steel. Met- all Trans A. 19

19、87. 18A(3): 663(7 Soon H H. Young S H. Phenomena and mechanism on superpla stcity of duplex stainless steels. Met Mater. 2000. 6(2): 161(8 Balancing O. Hoffmann W A M. Jonas J J. Influence of micro- slructure on the llow behavior of duplex stainless steel at high temperature. Metall Mater Trans A. 2

20、000. 31A(5): 135319余水寧毛為民材料的結(jié)構(gòu)北京，冶金工業(yè)til版社2001Vol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 # Vol.27 No.l張沛學(xué)等：雙相不銹鋼超塑性變形機(jī)理 # Superplasticity mechanism of duplex stainless steelsZHANG PeixiieJ KEN Xueping XIE Jiaikxiir, ZHANG Bingzhe", HAN WendiF, SUNG Jie"1) Materials Science and Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 China2) Technology Center. Jinan Iron & Steel Co. Ltd., Jinan 250101. China3) Scheduling Department. Jinan Iron