HR3C奥氏体耐热钢的高温变形行为

  浙江至德钢业有限公司通过Gleeble1500D热力模拟实验机对HR3C奥氏体耐热钢进行单道次压缩试验，研究其高温变形行为。热变形温度为950～1250℃，应变速率范围0.001～1.0s-1。结果表明，HR3C的流变应力随变形速率的降低和变形温度的升高而降低。变形温度越高，动态再结晶越容易发生；动态再结晶晶粒尺寸随温度的升高而增大，随变形速率的增大而减小。通过计算和回归分析得出HR3C钢的热激活能（558kJ/mol）和热变形本构方程；峰值应力与Z参数呈线性关系。

   大容量、高参数的超超临界发电机组可以提高发电效率，减少煤炭消耗和发电成本。为满足服役条件对材料性能的苛刻要求，目前世界各国都在积极开展新型耐热钢的研究与开发。超级奥氏体耐热钢作为一种先进的耐热材料，具有高蠕变强度、良好的组织稳定性、优良的耐蚀性和抗氧化性能，成为该领域重点研究的材料。对于金属材料，热变形是一种重要的研究材料加工性能的方法。在热变形过程中，微观组织的变化对优化产品的最终力学性能有非常重要的意义，而本构方程可以预测锻造力和轧制力。近年来，许多科研人员对金属材料的热变形行为和再结晶行为进行了研究，关于奥氏体耐热钢的研究则主要集中在316L、316LN、304、304H等常见钢种，对高铬、高镍的超级奥氏体耐热钢高温变形行为研究较少。HR3C超级奥氏体耐热钢合金元素含量高，变形抗力大，在一定程度上抑制动态再结晶的发生，使得实际生产过程中热加工性能下降，轧制过程中存在严重开裂，成材率低。为优化工艺参数，避免轧制缺陷，本文通过高温热压缩实验，对HR3C的高温变形行为和微观组织变化进行研究，分析变形温度和应变速率对组织演变的影响并得出热激活能和本构方程。

一、试验材料及方法

   试验材料选用HR3C奥氏体耐热钢，该钢的化学成分如表所示。材料加工成8mm×12mm的圆柱体试样。单道次热压缩试验在Gleeble1500D型热力模拟试验机上进行，变形速率为0.001～1.0s-1，变形温度为950～1250℃。热变形工艺为：将试样以5℃/s的加热速率加热到1200℃，保温120s，然后以20℃/s速率降温至变形温度并保温90s，在此温度下再以相应的应变速率压缩变形，变形量为60%。压缩变形结束后，立即喷水冷却以保留高温变形组织。将试样沿轴向切开，经磨制抛光后，选用王水（HNO3∶HCl=1∶3）腐蚀，在MDS光学显微镜下观察变形后的显微组织。

   应变速率为1.0s-1时，950℃时曲线属于动态回复类型，更高温度下，随应变的增加，变形抗力达到峰值后下降，呈现出动态再结晶特征，但是峰值应力不明显。应变速率为0.01s-1时，除了950℃，其余温度下曲线均为典型的完全动态再结晶特征，曲线出现稳态应力。当应变速率降到0.001s-1时，所有试验温度下曲线均呈现完全动态再结晶类型。此外，流变曲线呈现出锯齿状波动的特征，尤其是高应变速率下曲线波动明显，应变速率降低，波动性逐渐降低。这是因为HR3C钢中，含有大量碳化物形成元素Cr、Mn、Nb，在高温变形过程中易析出碳化物。图2中可以看到，高温变形过程中晶界有析出相形成，能谱分析表明晶界处的析出相是一种复杂的碳化物。碳化物对晶界和位错起到钉扎作用，阻碍位错和晶界的运动，从而阻碍动态再结晶的发生。因此，部分应力的增加是为了克服这种钉扎作用，之后发生动态再结晶，应力下降。析出物的钉扎作用和动态再结晶之间的交互作用重复发生，导致应力曲线的波动。

二、试验结果及分析

  1. 应力应变曲线

    图是HR3C奥氏体耐热钢在不同应变速率下的流变曲线。可以看出，HR3C流变应力总体特征是：大部分变形条件下，流变应力随应变的增加迅速增大，达到峰值后逐渐降低。随应变速率的降低和变形温度的升高，HR3C的变形抗力逐渐减小，峰值应力也逐渐减小。同一应变速率下，温度升高，动态再结晶速率增大，动态软化程度增大，变形抗力逐渐降低；同一温度下，应变速率升高，加工硬化率变大，变形时间缩短，动态软化程度降低，变形抗力增大。

  2. HR3C奥氏体耐热钢的热变形方程

   金属高温变形过程中，流变抗力与变形温度和应变速率之间的关系可以用Arrhenius双曲正弦函数描述。

金属的热变形激活能大小反应材料在热变形过程原子重新排列的难易程度，除受变形参数（温度、应变速率、变形量）的影响，还与材料的合金成分有关。过去对奥氏体耐热钢激活能影响因素的研究认为，除碳元素之外的其他元素均能使激活能提高，并且合金成分含量越高，其热激活能越大；研究发现合金成分Cr、Mn和Mo对提高热激活能的作用比较强，表3列出了几种奥氏体耐热钢的动态再结晶激活能。HR3C奥氏体耐热钢中合金成分含量为47%且Cr含量高达25.2%，Mn含量1%，使得HR3C激活能较大。HR3C钢在热变形过程中发生动态析出，消耗了部分应变能；生成的析出相起到钉扎位错的作用，这种钉扎作用通过阻碍位错和晶界的运动而阻碍动态再结晶的发生，提高了动态再结晶激活能。

  3. 不同变形条件下的组织

   图为HR3C奥氏体耐热钢未变形组织和应变速率为1s-1、不同变形温度下的显微组织。图可见变形前组织为均匀的奥氏体相和一些孪晶，奥氏体晶粒尺寸约为110μm。试样在950℃变形后，奥氏体晶粒沿变形方向拉长，呈条状，部分晶界呈锯齿状或膨胀突出，在晶界处有析出相形成，再结晶晶粒在大角度晶界处形核，使晶界形态发生变化，在析出相周围形成了细小的动态再结晶晶粒，形成了第一层项链组织。图中，1050℃下，少数晶粒未发生动态再结晶，这表明组织是不均匀的。这种组织的不均匀性使得晶粒内部有大的应变梯度，局部具有高位错密度，利于动态再结晶的形核。温度升高至1150℃时，已发生完全动态再结晶，再结晶晶粒平均尺寸约为8μm。随着温度的升高，1250℃时，再结晶晶粒已经长大至40μm左右。结果表明，HR3C钢在同样的应变和应变速率下，变形温度越高，动态再结晶越易发生，再结晶晶粒尺寸越大，这是因为动态再结晶是热激活过程，温度提高，原子振动加剧，结合力减弱，且原子和位错运动的驱动力增大，易于动态再结晶的发生和晶粒的长大。图是HR3C奥氏体耐热钢在1150℃同应变量不同应变速率变形后的组织。应变速率0.1s-1时，再结晶晶粒尺寸为15μm，比0.001s-1晶粒小很多，但比1s-1晶粒大。显然，在同样的变形温度和变形量下，如果HR3C发生动态再结晶，应变率越高，再结晶晶粒越细。这是因为高的应变速率使位错和结构缺陷密度增大，为动态再结晶的发生提供了更多的形核位置，形核率增大，且高应变速率下，热变形时间较短，再结晶晶粒没有充分时间长大。

三、结论

   HR3C奥氏体耐热钢在950～1250℃、0.001～1.0s-1变形条件下真应力-真应变曲线呈典型的动态再结晶特征。流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而减小。变形温度越高，动态再结晶越容易发生；应变速率越高，再结晶组织越均匀细小。温度范围950～1250℃，应变速率范围0.001～1.0s-1内，HR3C奥氏体耐热钢的平均热激活能为558kJ/mol；