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至德钢业310不锈钢的热变形试验结果报告分析

来源:至德钢业 日期:2020-04-19 03:11:56 人气:2200

  对于金属材料,热变形试验是一种重要的研究材料加工性能的常见方法。在热变形过程中,工艺参数的不同会对流变应力特征、微观组织的变化及产品的最终力学性能有非常重要的影响;根据热变形实验数据构造的本构方程可以帮助预测材料的锻造力和轧制力。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,310S耐热钢是其高温高压器件制造的首选材料。但是310不锈钢合金含量高,变形抗力大,实际生产过程中热加工性能难以保证,轧制过程中存在严重开裂,产品成材率低。为优化工艺参数,避免轧制缺陷,浙江至德钢业有限公司通过高温热压缩实验,对310不锈钢的高温流变应力特征和微观组织变化进行研究,分析变形温度和应变速率对流变应力、组织演变的影响并得出热激活能和本构方程。


一、310不锈钢的应力-应变曲线


   图是310不锈钢在不同变形温度、不同应变速率下的应力-应变曲线,表所示为不同变形条件下的峰值应力。由图所示,310不锈钢流变应力总体特征符合如下规律:大部分变形条件下,流变应力随应变的增加迅速增大,一定应变后增大速率有所降低,达到峰值后逐渐降低。随着应变速率的降低和变形温度的升高,310不锈钢的变形抗力逐渐减小,峰值应力也逐渐减小。同一变形速率下,温度升高,动态再结晶速率增大,动态软化程度提高,变形抗力逐渐降低;同一温度下,变形速率升高,加工硬化率变大,变形时间缩短,动态软化程度低,变形抗力增大。


   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℃,高温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,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310不锈钢中,含有大量碳化物形成元素铬、锰、铌,使得310不锈钢在高温变形过程中容易析出碳化物。碳化物对晶界和位错运动起到钉扎作用,阻碍位错和晶界的运动,从而阻碍动态再结晶的发生。位错在析出物位置不断钉扎,位错密度增大,达到临界值时动态再结晶开始发生,位错得以释放,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循环往复,导致应力曲线的波动。


二、热变形参数对310不锈钢流变应力的影响


  流变应力是材料热加工过程中的一个重要影响因素,它的大小不仅受材料本质属性的影响,还与热加工条件有关。材料确定的情况下,流变应力便主要受热加工条件的影响。一旦确定了热加工方式,热变形过程中材料的应力变化便主要受变形温度和应变速率影响。本文中,我们就将分析这两者对310不锈钢的峰值应力的影响。


三、变形温度对310不锈钢流变应力的影响


   变形温度也对310不锈钢流变应力特征产生重要影响。金属材料的高温塑性变形是一个热激活过程,奥氏体钢的层错能相对较低,热加工过程中容易发生动态再结晶。温度提高,促进了动态再结晶形核和长大,动态软化作用增强,流变应力降低。温度升高,原子运动加剧,空位浓度降低,位错克服晶界和析出相的钉扎作用,运动能力增强,甚至可以使回复过程不需要孕育期而直接发生;并且高温下,原子处于不稳定状态,原子间结合力降低,在外力作用下,原子会沿着应力梯度方向运动,临界切应力减小,塑性变形更易发生;此外,原子动能增大在很大程度上弱化晶界,降低了晶界对位错的阻碍作用,应力降低。


   不同应变速率下试验数据之间满足较好的线性关系。其中,关系图中各直线近似相互平行,相关系数高达0.99以上,这表明应变速率对直线斜率C值影响不明显。与其他两种假定关系拟合得到的直线相比,双曲正弦函数能够比较精确地描述310不锈钢热变形过程中,不同变形速率下温度对峰值应力的影响。


  综上分析得出,310S耐热钢高温热变形过程中,峰值应力与变形温度、应变速率之间均符合双曲正弦关系,310不锈钢热变形过程受热激活控制,可采用用Z参数来表述310不锈钢高温塑性变形行为中的流变应力变化。


四、显微组织分析


  图所示为310不锈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,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,至1250℃时,再结晶晶粒已经长大,组织比较均匀尺寸约为40μm左右。结果表明,310不锈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,原子扩散、位错运动和晶界迁移更易发生,有利于动态再结晶的形核和长大。


  图是310S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310不锈钢发生动态再结晶,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,但高应变速率下,热变形时间较短,再结晶晶粒来不及长大。


  综上所述,310不锈钢热变形后组织演变与变形温度和应变速率有关。温度升高,原子和位错运动速率增大,动态再结晶越容易发生,晶粒尺寸增大;应变速率提高,变形时间缩短,位错密度迅速增大,再结晶驱动力变大,但是动态软化过程进行的不充分,晶粒尺寸较小。




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