应变强化对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢显微组织和力学行为的影响

孔韦海　陈学东　闫永超　胡　盼

1.合肥工业大学，合肥，2300092.合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，合肥，230031



应变强化对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢显微组织和力学行为的影响

孔韦海1,2陈学东2闫永超2胡盼2

1.合肥工业大学，合肥，2300092.合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，合肥，230031

采用电液伺服万能试验机、X射线衍射仪、金相显微镜和透射电子显微镜，研究了应变强化对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢微观组织和力学行为的影响。结果表明：前期预应变强化过程中，材料没有发生相变，形变孪晶数量的增加使材料的屈服强度和硬度得到大幅提高，但塑性有所降低，发生形变孪晶诱发强度效应。随着预应变量的增大，应变强化能力减弱，瞬变应变有所降低，位错的滑移模式发生转变，从单系滑移和平面滑移向多系滑移和交滑移转变。

应变强化；形变孪晶诱发强度；力学行为；022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢

0　引言

近年来，随着能源工业的高速发展，压力容器的需求量不断增加。在安全的前提下，实现设备的轻型化，对节能降耗具有重要的意义[1-2]。022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢具有屈强比(屈服强度/抗拉强度)低、韧性好和组织稳定性好等特点，并可通过室温应变强化技术提高其屈服强度，显著减小压力容器的壁厚，实现设备的轻型化，达到节能降耗的目的[2-3]。在实际生产过程中，不但要了解变形过程中的应力-应变关系，而且要清楚应变强化参数对冷变形组织和力学性能的影响，以及强化态材料(经过预应变处理的材料)的塑性流变行为。目前，对奥氏体不锈钢冷变形行为的研究焦点主要集中在相变和位错滑移模式转变对材料力学行为的影响[4-9]，针对强化态材料的应力-应变响应、塑性流变行为及其微观机理研究还较少。

对大多数金属和合金而言，均匀塑性变形阶段的应变硬化行为可用Ludwik或Hollomon模型σ=K1εn1来表达[6]，其中，σ为真应力，ε为真实塑性应变，K1为应变硬化强度因子，n1为应变硬化指数。但是Ludwigson[10]认为，对于稳定的奥氏体不锈钢，高应变水平下的塑性流变行为可以用Ludwik模型描述，而较低应变水平下应对Ludwik模型进行修正：

σ=K1εn1+Δ

Δ=exp(K2+n2ε)其中，Δ总是正值，且随应变的增大而减小；K2、n2为常数。文献[10-11]对各种面心立方(fcc)合金的研究表明，导致Δ出现的主要原因是在高低应变过渡区存在一个瞬变应变εL。ε<εL时，位错滑移以单系滑移和平面滑移为主；ε>εL时，位错运动则以多系滑移和交滑移为主，并形成位错胞。

本文通过对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢施加不同应变强化参数(预应变量和与预应变速率)的拉伸变形，来研究其对材料组织与力学行为的影响，并利用Ludwigson模型对强化态材料的真应力-真应变曲线进行详细分析。在此基础上，结合材料的微观组织探讨了形变孪晶诱发强度的强化机制，为确定应变强化的工艺参数提供理论支持。

1　实验材料及方法

实验所用材料为022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢板材，其化学成分如表1所示。材料的化学成分决定了其相变热力学参数，在宏观上表现为对奥氏体组织稳定性的影响[12]，如马氏体临界转变温度的计算值tMs=-131 ℃，材料发生30%应变量导致50%马氏体转变的温度计算值tMD30=-49 ℃，层错能的计算值γSF=44mJ/m2。将板材进行固溶处理(加热至1050 ℃，保温40min后水淬)后加工成拉伸试样，尺寸如图1所示[13]。

表1　材料的化学成分(质量分数)　%

拉伸试验在电液伺服万能试验机(型号为SHT4505)上进行，采用控制预应变速率和预应变量(引伸计控制)的方式加载，以10-4s-1、10-3s-1和10-2s-1的应变速率使试样强化至一定的预应变量，应变量分别为4%、8%和12%。然后，将强化后的试样以3.3×10-3s-1的速率拉伸至断裂。

图1　拉伸试样尺寸

在强化态试样的标距中心处截取长度约12mm的圆棒，将圆棒的近中心端面磨制后抛光，在10%的草酸溶液中进行电解浸蚀，然后用D8-AdvaceX射线衍射仪、XJG-05金相显微镜、HV30维氏硬度计和FEITecnaiG20透射电子显微镜进行物相、显微组织、硬度和位错组态分析。

2　实验结果

2.1力学行为

表2所示为不同应变强化参数下的室温强化后022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢的力学性能参数。同一预应变量下，不同预应变速率对材料的屈服强度RP0.2、抗拉强度Rm和维氏硬度HHV影响不大；相同预应变速率下，随着预应变量的增加，RP0.2、Rm和HHV都有所增加，其中，RP0.2增加的幅度远大于Rm，即两者之间的差值越来越小。经过12%预应变的试样，其RP0.2是固溶态试样RP0.2的近2.5倍，硬度增加了约80HV10。综上可知，RP0.2、Rm和HHV主要受预应变量的控制和影响，对预应变速率不敏感。相同预应变量、不同预应变速率情况下，断后伸长率A和断面收缩率Z变化不大；同一预应变速率下，A呈现降低的趋势，Z总体为增长的趋势但相差并不大。

表2　试样的强化参数和力学性能

屈强比η在压力容器“等强度”设计理念中意义重大。由表2可看出，材料的屈强比η随预应变量的增大逐渐增大，而预应变速率对η的影响很小。屈强比越低，说明材料没有得到充分的利用，材料的低值屈服强度限制了高值抗拉强度的潜能；从材料失效方面来说，屈服只是表示材料进入塑性流变阶段，并不意味着塑性失稳，即没有造成破坏，因此合适的屈强比能在保证设备安全稳定的前提下，使材料潜能得到充分利用，达到“等强度”效果。相关国外标准[14-17]认为，材料强化后的屈强比值应限定在0.8以下。从表2中可看出，未经过强化的022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢η值较小，即使经过8%应变量的强化后，也完全符合标准和使用要求。

2.2物相组成和显微组织

用X射线衍射仪检测强化态试样中心部位的相组成，图2所示为8号试样中心部位的XRD谱。可见，在发生了12%变形的情况下，材料仍为单一奥氏体相，这个结果与tMS、tMD30、γSF的计算值相一致。可见，该不锈钢可以通过应变强化(预应变量不超过12%)的方式生产出不同强度级别的材料，其组织仍然保持单一的奥氏体状态。

图2　强化态试样(8号试件)中心部位的XRD谱

图3a所示为1号固溶态试样的显微组织。由于材料的层错能较低，在金相试样磨制时可能产生了少量形变孪晶。随着预应变量的增大，平直的孪晶界清晰可见，如图3b～图3d所示。预应变量为12%的试样中，有些孪晶界在应力的作用下发生了弯曲变形(图3d中的2个箭头所指)，说明孪晶界的完全共格关系遭到破坏，进一步阻碍变形的进行。此时，滑移以单滑移为主，多滑移处于初始阶段。

(a)1号试样的显微组织

(b)3号试样的显微组织

(c)6号试样的显微组织

(d)9号试样的显微组织图3　不同预应变量试样的显微组织

3　分析讨论

3.1强化态材料屈服强度和硬度HHV的关系

如表2所示，强化态材料的硬度随预应变量的增大而增大，但增大的趋势渐缓；强化态材料的硬度几乎不受预应变速率的影响。为了研究强化过程中硬度与屈服强度之间的关系，对其进行拟合。由图4可看出，不同预应变速率下强化态材料的屈服强度与硬度基本呈线性增长趋势。通过线性拟合分别得到不同预应变速率下强化材料屈服强度和硬度的关系式：

RP0.2(10-4s-1)=3.45HHV-201.28

(1)

R2=0.99960

RP0.2(10-3s-1)=3.49HHV-203.50

(2)

R2=0.97989

RP0.2(10-2s-1)=3.54HHV-213.57

(3)

R2=0.96253

图4　强化态材料屈服强度与硬度关系图

随着预应变速率的减小，拟合曲线的相关系数R越接近1，线性相关越高，与实测曲线吻合越好。因此，在工程现场或不方便测量材料力学性能时，可以通过测量其硬度获得大致的屈服强度，为现场的工程师和检验人员提供技术参考。

3.2强化态材料塑性流变行为

(a)3号试样

(b)6号试样

(c)9号试样图5　均匀塑性变形阶段真应力-真应变对数曲线

应变强化对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢力学行为的影响与其加工硬化特性密切相关。层错能是影响变形机制的重要因素，当奥氏体不锈钢层错能在25～80 mJ/m2时，材料可以通过形变孪晶的形成获得高强度和高塑性[19]。在变形初期，晶粒内产生大量的位错缺陷，位错沿滑移面运动时遇到障碍被钉扎造成塞积和缠结(图7)，导致局部应力的集中。当应力集中在孪生方向达到临界应力值时，晶体就开始发生孪生变形，出现孪晶的交互生长。高密度位错区和层错区、位错与孪晶以及孪晶与孪晶的交互区都能够提供孪生的核胚。随着预应变量的增大，位错密度不断增殖，细小的形变孪晶开始平行聚集，形成束状结构，且其数量增加。这就进一步阻碍了位错运动，变形抗力增大，提高了屈服强度和抗拉强度[6,8,20-21]。另一方面，奥氏体晶粒被形变孪晶分割，导致其有效晶粒尺寸减小，这等效于细化晶粒，间接地增强了材料的应变强化效果。本试验所用材料为单一的奥氏体组织，其层错能的计算值γSF=44 mJ/m2，随着预应变量的增加，形变孪晶数量增加，从而获得更高强度，符合形变孪晶诱发强度效应。

(a)3号试样

(b)6号试样

(c)9号试样图6　均匀塑性变形阶段的lnΔ-ε曲线

试样编号K1(MPa)n1K2-n2εLσL(MPa)σ(MPa)11363.62240.50563.039812.12330.1228472.202820.9010621291.03560.41184.253917.91290.1399574.349170.3793631276.52910.41804.465820.69570.1334550.002386.9905941305.23630.41434.343323.60380.1134529.654576.9610951168.76160.30994.211326.94040.0925558.811467.4441661172.74210.32144.564325.05840.1120580.227495.9953771223.29090.34414.730226.18160.1136578.7614113.318281190.70400.27044.819627.54080.1070650.6496123.915591191.29950.27484.751225.01780.1147656.9843115.7231101208.69920.27074.915326.78780.1125669.1143136.3602

(a)3号试样

(b)6号试样

(c)9号试样图7　强化态材料位错组态形貌

4　结论

(1)022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢具有很强的应变强化特性，其力学行为对预应变速率不敏感；随着预应变量的增加，强度和硬度得到大幅提高，但韧性会有所降低。即使经过8%变形量的预强化，材料的断后延伸率仍在45%左右，屈强比η低于0.8，仍然具有相当好的塑性储备。所以8%的应变量和10-3s-1的应变速率是较合适的应变强化参数。

(2)在工程现场或不方便测量材料力学性能时，可以通过测量其硬度获得大致的屈服强度，为现场的工程师和检验人员提供技术参考。

(3)在前期应变强化过程中，022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢没有发生相变，而是产生了形变孪晶诱发强度效应。

(4)Ludwigson模型可以较准确地描述强化态022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢的塑性流变行为。应变大于瞬变应变εL时，满足Ludwik模型；小于εL时，流变行为与Ludwik存在一个正偏差Δ。强化态的不锈钢在塑性流变过程中的应变强化能力随预强化量的增加而逐渐减弱。

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(编辑张洋)

Effects of Strain-strengthening on Microstructure and Mechanics Behavior of 022Cr17Ni12Mo2 Austenitic Stainless Steel

Kong Weihai1,2Chen Xuedong2Yan Yongchao2Hu Pan2

1.Hefei University of Technology，Hefei，230009 2.National Safety Engineering Technology Research Center for Pressure Vessels and Pipeline，Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，230031

The effects of strain-strengthening on microstructure and mechanics behavior of 022Cr17Ni12Mo2 austenitic stainless steel were investigated by universal testing machine, X-ray diffraction, optical microscopy, and transmission electron microscopy. The results show that there is no phase transformation during the early stage of pre-strain strengthening. With the increase of deformation twins, the cold deformation can enhance the strength and hardness significantly, whereas the ductility of the steel is decreased. The deformation twinning induced strength effects are occurred. Meanwhile, the strain-strengthening ability of the strengthened steel and the transient strain are weakened with increase of the pre-strain. The appearance of deformation twins makes the change of dislocation slip mode, which transforms from single-slip and planar-slip to multiple-slip and cross-slip.

strain strengthening; deformation twinning induced strength; mechanics behavior; 022Cr17Ni12Mo2 austenitic stainless steel

孔韦海，男，1982年生。合肥通用机械研究院、合肥工业大学材料科学与工程学院博士研究生。主要研究方向为压力容器用材性能与应用研究。发表论文10余篇。陈学东，男，1964年生。合肥通用机械研究院研究员、博士研究生导师，中国工程院院士。闫永超，男，1987年生。合肥通用机械研究院工程师。胡盼，男，1989年生。合肥通用机械研究院助理工程师。

2015-01-09

安徽省自然科学基金资助项目(1308085ME69)；合肥通用机械研究院青年科技基金资助项目(2013010646)

TG142.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.08.022