节镍型高氮奥氏体不锈钢热变形行为的研究

王祥元

（东方电气（广州）重型机器有限公司，广东 广州 511400）

在节镍型高氮奥氏体不锈钢中，加入氮元素不仅可以替代金属镍在不锈钢中的作用，同时还可以有效降低生产不锈钢的成本，最终实现全面提高不锈钢强度与抗腐蚀性的目的。而在不锈钢中氮含量的增加或减少会直接影响到奥氏体的稳定性以及其自身的磁性，虽然节镍型高氮奥氏体不锈钢具备诸多优点，但是对于冶炼技术以及抗腐蚀性能等方面的研究较少，而热变形在节镍型高氮奥氏体不锈钢出现的频率较高，所以就需要针对其热变形行为进行相应的研究。

1 节镍型高氮奥氏体不锈钢热变形的试验材料与方式

1.1 试验材料

在实际展开试验时，主要需要以下材料：非真空感应炉（1t）冶炼、钢锭等，其中钢锭内部所包含的化学成分如表1所示。

表1 钢锭内部化学成分质量%

1.2 试验方式

在实际试验的过程中，需要在所选材料的中心部分采取样本，并将样本制作为10mm×15mm的热变形模拟样品，并且在Gleeble-3800热力模拟设备上展开试验，在实际试验的过程中变形的温度分别为950℃、1050℃、1150℃等，在不同温度下样品的变形速度分别为0.01s-1、1s-1、10s-1等。试验过程中的具体试验操作顺序包括：在样品的两面分别放置钽片，而后在钽片与样品之间均匀的涂抹一层润滑试剂，可以有效防止在试验变形过程中样品与钽片之间出现摩擦情况而导致试验结果不具有实质效果；在试验过程中，第一步需要通过以每秒5℃的升温速度将温度上升至1200℃，而后在通过3min的恒温热度之后通过每秒5℃的降温速度将温度下降至试验温度，再通过5s恒温之后使样品可以均匀受热。通过不同变形速度对样品展开压缩试验，其样品的实际变形量约为45%～5%，待压缩之后的样品通过压缩空气快速冷却后，将样品沿着下压的方向切开，通过磨抛腐蚀之后在光学显微镜下观察样品出现变形之后的内部组织变化。具体情况如图1所示：

图1 样品抛光腐蚀之后在光学显微镜下的状态

2 节镍型高氮奥氏体不锈钢热变形的试验结果分析

2.1 热变形行为与温度之间的关系分析

在相同速度下，随着变形的温度不断增加相应的流变也会逐渐减少，最终可以达到峰值的应变也会随之降低；在相同变形速率的情况下，随着温度的不断增加，不锈钢样品的软化速度也会不断加快。当处于较低温度的情况下，样品的软化机制属于动态回复机制，而随着温度的不断上升会促使样品的软化不断向着结晶的方向发展。热变形行为与温度之间关系的具体分析如下：当温度逐渐上升时，会促使炉中的原子动能不断增加，同时各个原子动能之间的融合能力也在不断降低，且原子动能的扩散能力也在不断提高，当样品在变形的过程中所出现的获益临界应力也会不断降低，同时也会减少样品的变形阻碍，最终促使样品更易展开变形。当温度增加时就会促使原子的振动幅度不断增加，这一条件下就会使得样品更加容易出现变形，同时还可以降低样品因变形而出现的硬化。将节镍型高氮奥氏体不锈钢与传统奥氏体不锈钢之间相互对比之后可以得知，节镍型高氮奥氏体不锈钢的峰值会高于传统奥氏体不锈钢，而促使出现这一因素的主要原因在于：样品中的N元素与其他可容性元素相比，更加具备膨胀系数。同时，N元素具备相应的负电荷，与常规电荷之间的错位交替时会出现较高的静电吸引力，而且间隙中的N元素错位结合能力也会高于C元素的错位结合能力。当释放N元素时需要大量的能力累积，并且还需要在特定因素的情况下才可以释放N元素的错位。在实际织构的过程中，单一结晶的切分应力会随着容性较高的N元素而提高，并且在节镍型高氮奥氏体不锈钢中，N元素的含量也会随着不断增加而提高低能界面，最终就可以充分促进织构结构的发展，从而将节镍型高氮奥氏体不锈钢的强度大幅度提高。

2.2 热变形行为与变形速率之间的关系分析

在同一温度下，流变会跟随变形速率的降低而减少，并且样品的软化机制也会由动态转变为动态再结晶。在实际分析这种因素的过程中，需要充分结合实际热变形行为与变形速率之间的关系而展开分析。在相同温度的情况下，且变形速率较小时，所经过的变形时间较长，并且可以为不锈钢提供较为充足的时间来展开动态软化，从根本上降低不锈钢因加工而出现的硬化形态；当变形速率较大时，就会促使不锈钢内部元素的错位量不断增加，促使流变应力也在不断提高。在试验温度为950℃时，会对处在不同变形速率下的不锈钢变形组织造成较大的影响，而当变形速率达到0.01s-1时，最初的结晶处会出现诸多微小的晶粒，当变速率为10s-1时，则会使得样品中不会出现结晶。在通过950℃来测试不锈钢时，会随着变速率的不断提高而促使结晶数量不断下降。具体分析：当变形速率下降时就会促使变形的时间不断增加，而在长时间的变形过程中会基于不锈钢充足的结晶时间，最终就会使得在这一因素下的结晶数量较多；当通过较高的变形速率对样品展开变形试验时，样品可以在短时间内完成变形，在这一时间内就会导致变形所用时间不足以满足结晶所用时间，所以在这期间的结晶数量就会出现少或没有结晶出现的情况。具体情况如图2所示。

2.3 不锈钢变形对峰值的影响分析

从节镍型高氮奥氏体不锈钢在不同变形条件下的趋势变化可知，随着温度的不断提高与变形速率的不断降低，促使结晶的峰值也在不断下降。而通过这一试验结果可以充分得知，节镍型高氮奥氏体不锈钢属于一种正常变形速率敏感类材料，而随着变形速率的不断增加与变形温度的降低可以得知，峰值在这一因素的影响之下不断增加，最终促使不锈钢极难初选热变形的情况。

图2 样品结晶的具体数据参数

3 结 语

综上所述，在实际试验的过程中可以得知，在相同温度不同变形速率的情况之下，会随着变形速率的不断下降而导致变形的时间不断增加，在这一时间内的样品软化时间也就会不断增加，但流变应力会出现下降的情况，样品的软化机制也会通过动态回复不断向结晶的方向过渡。此外，节镍型高氮奥氏体不锈钢属于一种对变形速率非常敏感的不锈钢材料，而随着变形速率的不断提高以及变形的温度不断下降，相应的峰值应力也会不断增加，所产生的热变形也会难以开展。基于此在实际试验的过程中，就需要充分注意到变形速率与温度之间的关系，同时还需要全面控制变形速率与温度，最终才可以得出更加准确的参数。