节镍型高氮奥氏体不锈钢热变形行为的研究

张雲飞 赵英利 常金宝 嵇 爽 王程明

(河钢集团钢研总院，河北 石家庄 050000)

节镍型高氮奥氏体不锈钢中，廉价氮元素的加入不但可以代替金属镍的作用从而降低生产成本，还能提高材料的强度和耐蚀性能；氮含量的不同还会影响钢的奥氏体稳定性、热膨胀性及磁性等[1- 3]。节镍型高氮奥氏体不锈钢具有诸多优点，因而受到科研工作者的广泛关注，现已大量应用在海洋工程、汽车、发电机转子护环等领域。目前，对节镍型高氮不锈钢的研究方向主要是冶炼技术[4- 7]、耐腐蚀性能[8- 9]等，对于热变形的研究相对较少。

为了研究该钢种在高温下的变形行为，本文通过高温压缩试验和组织观察研究了应变速率及变形温度对高温流变应力的影响，并观察了压缩变形后的显微组织，以期为该钢种热加工工艺的制定提供基础。

1 试验材料及方法

试验材料为非真空感应炉(1 t)冶炼+电渣重熔(ESR)生产的钢锭，其化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of test steel (mass fraction) %

在材料的中心部位取样，制成尺寸φ10 mm×15 mm的热模拟样品，在Gleeble- 3800热/力模拟机上进行热压缩试验，变形温度分别设为950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200 ℃，变形速率分别设为0.01、0.1、1、10 s-1。具体试验步骤为：在试样两端放置钽片并涂抹润滑剂，防止变形过程中试样与夹持端产生摩擦而影响试验结果。以5 ℃/s的速率升温到1 200 ℃，保温3 min，然后以5 ℃/s降温到试验温度，保温5 s使试样均热；以不同的变形速率进行压缩试验，变形量为50%。压缩后的试样经压缩空气急速冷却后，沿下压的方向切开，经磨抛腐蚀后，在光学显微镜下观察试样变形后的显微组织。

2 试验结果及分析

2.1 高温流变行为与温度之间的关系

图1为试验钢在不同应变速率和变形温度下由热压缩试验得到的真应力- 真应变曲线。 从图中可以看出，在相同应变速率下，随着变形温度的升高，流变应力逐渐降低，且达到峰值应力的应变也逐渐减小，即随着温度的升高，材料更容易发生动态软化。在较低温度变形时，材料的软化机制是动态回复，随着温度的不断升高，软化机制逐渐向动态再结晶转变。

图1 试验钢在应变速率为(a)0.01 s-1、(b)0.1 s-1、(c)1 s-1和 (d)10 s-1时不同变形温度下压缩的流变应力曲线Fig.1 Flow stress curves of test steel deformed at different temperatures with strain rates of (a) 0.01 s-1,(b) 0.1 s-1,(c) 1 s-1 and (d) 10 s-1

分析其原因：随着温度的升高，原子动能增加，原子间的结合力减小，原子扩散能力增强，变形过程中位错滑移的临界剪切应力减小，降低了变形阻力，动态软化更容易进行[10]。材料内部原子的热振动幅度增加，更容易发生变形，减弱了因变形而产生的加工硬化。与常规奥氏体不锈钢相比，节镍型高氮奥氏体不锈钢的峰值应力明显升高[11]。这主要是由于N与其他溶质元素相比，具有更高的晶格膨胀系数。此外，N原子具有负电荷，与带正电荷的位错具有静电吸引力，间隙N原子对位错的钉扎作用非常显著，N原子与位错的结合力强于C原子与位错的结合力，释放被N原子固定的位错需要更多的能量。在织构方面，单一晶体内的临界切分应力随固溶N的增加而上升。在多晶奥氏体钢中，N含量的增加可以提高低能界面，促进织构发展，从而强度上升。

图2为试验钢在应变速率为0.01 s-1时不同温度热变形后的微观组织。从图中可以看出，在800 ℃时，原始组织发生压缩变形，晶粒被拉长，呈纤维状，晶界处没有动态再结晶晶粒出现，此时软化机制是动态回复。在900 ℃变形时，原始奥氏体晶粒的部分晶界处出现了细小的再结晶晶粒。当温度升高到1 000 ℃后，变形组织的晶界处再结晶晶粒数量明显增加，同时晶粒尺寸呈增大趋势，动态再结晶晶粒体积分数增大。随着温度的升高，原子扩散能力增强，晶界迁移速度加快，再结晶晶粒继续长大。在1 100 ℃时，再结晶晶粒沿着原始晶界向晶粒内扩展，由于提供能量的不足，试验钢发生部分动态再结晶，因此变形组织不均匀，呈细小的再结晶晶粒及只发生压缩变形的原始晶粒的混合组织。1 150 ℃变形时，变形组织并不均匀，出现了等轴再结晶晶粒与扁平变形晶粒的混合组织，此时再结晶晶粒长大，原始奥氏体晶粒尺寸减小。在1 200 ℃压缩变形时，发生了完全再结晶，基本为长大的再结晶晶粒。因此，变形温度的升高可以提高组织的均匀性。

2.2 高温流变行为与应变速率之间的关系

图3为相同温度不同应变速率下的流变应力曲线。由图可知，在同一温度下，流变应力随着应变速率的减小而降低，且软化机制由动态回复逐渐向动态再结晶过渡。分析其原因：在相同温度下，应变速率较低时，变形时间长，可以提供充足的时间进行动态软化，从而减弱加工硬化[12]。而应变速率的加快，导致位错的数量大幅度增加，因此流变应力上升。

图4为试验钢在950 ℃、不同应变速率下的变形组织，可见应变速率对热变形组织影响较大。当应变速率为0.01 s-1时， 原始晶界处出现大量细小的再结晶晶粒，应变速率为10 s-1时，没有动态再结晶出现。950 ℃变形时，随着应变速率的增加，动态再结晶晶粒数量逐渐减少。分析其原因：应变速率小，变形时间延长，动态再结晶时间充足，因此动态再结晶数量相对更多。以高应变速率变形时，短时间内就完成了变形，不能提供足够的时间使动态再结晶晶粒形核及长大，因此再结晶晶粒尺寸偏小[13]。

图4 试验钢在950 ℃以(a)0.01 s-1、(b)0.1 s-1、(c)1 s-1和(d)10 s-1应变速率变形后的微观组织Fig.4 Microstructures of test steel deformed at (a) 950 ℃ at the strain rate of (a) 0.01 s-1，(b) 0.1 s-1，(c) 1 s-1 and (d) 10 s-1

2.3 变形条件对峰值应力的影响

图5所示为不同变形条件下峰值应力的变化趋势。可以看出，随着变形温度的升高和应变速率的降低，峰值应力逐渐降低。由此可以得出：高氮节镍奥氏体不锈钢是一种正应变速率敏感材料，即随应变速率的增大和变形温度的降低，峰值应力增大，热变形难以进行。

3 结论

(1)研究了变形条件对高氮节镍奥氏体不锈钢的高温流变应力的影响。发现在同一应变速率、不同的变形温度下，变形温度越高，流变应力越小，软化机制逐渐由动态回复向动态再结晶转变，组织均匀性提高。

图5 试验钢在不同变形条件下峰值应力的变化趋势Fig.5 Variation trends of peak stress of test steel under different deformation conditions

(2)在同一变形温度、不同的应变速率下，应变速率越低，变形时间越长，动态软化的时间越充足，因此流变应力越低，软化机制由动态回复逐渐向动态再结晶过渡。

(3)高氮节镍奥氏体不锈钢是一种正应变速率敏感材料，即随着应变速率的增大和变形温度的降低，峰值应力逐渐增大，热变形难以实施。