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至德鋼業310不銹鋼的熱變形試驗結果報告分析

來源:至德鋼業 日期:2020-04-19 03:11:56 人氣:541

  對于金屬材料,熱變形試驗是一種重要的研究材料加工性能的常見方法。在熱變形過程中,工藝參數的不同會對流變應力特征、微觀組織的變化及產品的最終力學性能有非常重要的影響;根據熱變形實驗數據構造的本構方程可以幫助預測材料的鍛造力和軋制力。大容量、高參數的超超臨界發電機組可以提高發電效率,減少煤炭消耗和發電成本,310S耐熱鋼是其高溫高壓器件制造的首選材料。但是310不銹鋼合金含量高,變形抗力大,實際生產過程中熱加工性能難以保證,軋制過程中存在嚴重開裂,產品成材率低。為優化工藝參數,避免軋制缺陷,浙江至德鋼業有限公司通過高溫熱壓縮實驗,對310不銹鋼的高溫流變應力特征和微觀組織變化進行研究,分析變形溫度和應變速率對流變應力、組織演變的影響并得出熱激活能和本構方程。


一、310不銹鋼的應力-應變曲線


   圖是310不銹鋼在不同變形溫度、不同應變速率下的應力-應變曲線,表所示為不同變形條件下的峰值應力。由圖所示,310不銹鋼流變應力總體特征符合如下規律:大部分變形條件下,流變應力隨應變的增加迅速增大,一定應變后增大速率有所降低,達到峰值后逐漸降低。隨著應變速率的降低和變形溫度的升高,310不銹鋼的變形抗力逐漸減小,峰值應力也逐漸減小。同一變形速率下,溫度升高,動態再結晶速率增大,動態軟化程度提高,變形抗力逐漸降低;同一溫度下,變形速率升高,加工硬化率變大,變形時間縮短,動態軟化程度低,變形抗力增大。


   應變速率為1.0s-1時,950℃時曲線屬于動態回復類型,更高溫度下,隨應變的增加,變形抗力達到峰值后下降,呈現出動態再結晶特征,但是峰值應力不明顯。應變速率為0.01s-1時,除了950℃,高溫下曲線均為典型的完全動態再結晶特征,曲線出現穩態應力。當應變速率降到0.001s-1時,所有試驗溫度下曲線均呈現完全動態再結晶類型。


   此外,流變曲線呈現出鋸齒狀波動的特征,高應變速率下曲線波動明顯,應變速率降低,波動性逐漸降低。這是因為310不銹鋼中,含有大量碳化物形成元素鉻、錳、鈮,使得310不銹鋼在高溫變形過程中容易析出碳化物。碳化物對晶界和位錯運動起到釘扎作用,阻礙位錯和晶界的運動,從而阻礙動態再結晶的發生。位錯在析出物位置不斷釘扎,位錯密度增大,達到臨界值時動態再結晶開始發生,位錯得以釋放,應力下降。析出物的釘扎作用和動態再結晶之間的交互作用循環往復,導致應力曲線的波動。


二、熱變形參數對310不銹鋼流變應力的影響


  流變應力是材料熱加工過程中的一個重要影響因素,它的大小不僅受材料本質屬性的影響,還與熱加工條件有關。材料確定的情況下,流變應力便主要受熱加工條件的影響。一旦確定了熱加工方式,熱變形過程中材料的應力變化便主要受變形溫度和應變速率影響。本文中,我們就將分析這兩者對310不銹鋼的峰值應力的影響。


三、變形溫度對310不銹鋼流變應力的影響


   變形溫度也對310不銹鋼流變應力特征產生重要影響。金屬材料的高溫塑性變形是一個熱激活過程,奧氏體鋼的層錯能相對較低,熱加工過程中容易發生動態再結晶。溫度提高,促進了動態再結晶形核和長大,動態軟化作用增強,流變應力降低。溫度升高,原子運動加劇,空位濃度降低,位錯克服晶界和析出相的釘扎作用,運動能力增強,甚至可以使回復過程不需要孕育期而直接發生;并且高溫下,原子處于不穩定狀態,原子間結合力降低,在外力作用下,原子會沿著應力梯度方向運動,臨界切應力減小,塑性變形更易發生;此外,原子動能增大在很大程度上弱化晶界,降低了晶界對位錯的阻礙作用,應力降低。


   不同應變速率下試驗數據之間滿足較好的線性關系。其中,關系圖中各直線近似相互平行,相關系數高達0.99以上,這表明應變速率對直線斜率C值影響不明顯。與其他兩種假定關系擬合得到的直線相比,雙曲正弦函數能夠比較精確地描述310不銹鋼熱變形過程中,不同變形速率下溫度對峰值應力的影響。


  綜上分析得出,310S耐熱鋼高溫熱變形過程中,峰值應力與變形溫度、應變速率之間均符合雙曲正弦關系,310不銹鋼熱變形過程受熱激活控制,可采用用Z參數來表述310不銹鋼高溫塑性變形行為中的流變應力變化。


四、顯微組織分析


  圖所示為310不銹鋼未變形組織和應變速率為1s-1、不同變形溫度下的顯微組織。圖可見變形前組織為均勻的奧氏體相和一些孿晶,奧氏體晶粒尺寸約為110μm。試樣在950℃變形后,奧氏體晶粒沿變形方向拉長,部分晶界呈鋸齒狀或膨脹突出,在晶界處有析出相形成,再結晶晶粒在大角度晶界處形核,使晶界形態發生變化,在析出相周圍形成了細小的動態再結晶晶粒,形成第一層項鏈組織。圖中,1050℃下,少數晶粒未發生動態再結晶,這表明組織是不均勻的。這種組織的不均勻性使得晶粒內部有大的應變梯度,局部具有高位錯密度,利于動態再結晶的形核。溫度升高至1150℃時,已發生完全動態再結晶,再結晶晶粒平均尺寸約為8μm。隨著溫度的升高,至1250℃時,再結晶晶粒已經長大,組織比較均勻尺寸約為40μm左右。結果表明,310不銹鋼在同樣的應變和應變速率下,變形溫度越高,動態再結晶越易發生,再結晶晶粒尺寸越大,這是因為動態再結晶是熱激活過程,溫度提高,原子擴散、位錯運動和晶界遷移更易發生,有利于動態再結晶的形核和長大。


  圖是310S耐熱鋼在1150℃同應變量不同應變速率變形后的組織。應變速率0.1s-1時,再結晶晶粒尺寸為15μm,比0.001s-1晶粒小很多,但比1s-1晶粒大。顯然,在同樣的變形溫度和變形量下,如果310不銹鋼發生動態再結晶,應變率越高,再結晶晶粒越細。這是因為高的應變速率使位錯和結構缺陷密度增大,為動態再結晶的發生提供了更多的形核位置,形核率增大,但高應變速率下,熱變形時間較短,再結晶晶粒來不及長大。


  綜上所述,310不銹鋼熱變形后組織演變與變形溫度和應變速率有關。溫度升高,原子和位錯運動速率增大,動態再結晶越容易發生,晶粒尺寸增大;應變速率提高,變形時間縮短,位錯密度迅速增大,再結晶驅動力變大,但是動態軟化過程進行的不充分,晶粒尺寸較小。




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