热轧变形量对铝热法制备的 2507双相不锈钢组织和力学性能的影响

喇培清, 石 玉, 汪科良, 盛 捷, 李正宁, 周学渊

(兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050)

奥氏体(γ)-铁素体(α)双相不锈钢是指金相组织由γ和α两相组成的不锈钢.在固溶组织中γ和α大约各占一半，一般情况下较少相的含量也要在30%以上[1-2].2507钢作为第三代双相不锈钢的典型代表，研发于20世纪80年代，这一超级双相不锈钢提高了合金元素的含量，较好地平衡了γ和α相的比例.通过热处理的方法能使两相比例接近1∶1，同时强度得到极大提高.这种钢的含碳量极低，加工性能和焊接性能良好，同时耐局部腐蚀和应力腐蚀的能力较强，因此得到了较为广泛应用[3-4].

轧制是将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙(各种形状)，其因受轧辊的压缩成型，使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是钢材最常用的型材生产方式.轧制不仅可以制备出板带等各种型材，还可以优化钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，改善材料内部的显微组织，并消除铸造显微组织的缺陷，从而使钢材力学性能得到改善[5-6].这种改善主要是晶粒沿轧制方向被拉长，形成择优取向，从而使钢材在一定程度上各向异性.铸造时形成的气孔、微裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合，从而提高材料的力学性能[7].对常规粗晶粒(> 1 μm)金属的轧制已有大量的文献报道，但是很少有关于纳米晶金属轧制的相关文献.纳米晶金属的热稳定性和热变形机理尚未得到很好的理解，需要更多的实验研究.

本文以铝热反应铸造的微纳结构2507双相不锈钢为研究对象.由于铝热反应铸造时的快速凝固使铸件内部存在微孔洞，导致材料力学性能低[8],通过热轧来改善力学性能.热轧变形量是轧制过程中很重要的一个参数，会影响轧制过程中钢的组织和力学性能，所以本文研究了轧制变形量对铝热反应铸造的微纳结构2507不锈钢显微组织和力学性能的影响，然后分析其组织与性能之间的关系.

1 材料与方法

铸态2507不锈钢通过铝热反应制备.有关制备的详细过程已报道[9].其化学组成为w(Cr)=24.5%，w(Ni)=6.6%，w(Mo)=4.3%,w(Mn)=0.1%，w(Al)=1.1%，w(C)=0.08%和Fe余量.将合成铸锭的上表面和下表面抛光，然后用线切割机切割成100 mm×50 mm×5 mm的条状试样以便进行轧制.将该条状试样置于电阻加热炉中加热至1 000 ℃且保温10 min.然后在两辊冷热轧机(郑州光华机械总厂生产)上轨制，主电机功率：60 kW，最大轧制力：220 kN,进行多道次轧制,轧辊转速为15 r/min，轧制速度为0.4 m/min，每次压下量为0.15 mm.试样厚度分别从5 mm变至3、2、1 mm,对应的轧制变形量分别为40%、60%和80%. 轧制后的试样在空气中自然冷却.

轧制样品相组成分析在日本理学Rigaku D/max-2400型X射线衍射仪上进行测试和数据采集，采用Cu Kα辐射，并用石墨单色器除去Kβ，工作电压和电流分别为40 kV和150 mA，阶梯扫描步长(2θ)为0.02°，每步计数时间为2 s，2θ在30°～110°扫描.金相分析使用10 mol/L的电解腐蚀液腐蚀，电压15 V，时间15 s，然后在Mef3型光学金相显微镜上观察样品的金相组织.利用JSM-6700F扫描电镜对材料进行微观形貌观察.利用JEM2010透射电镜对2507双相不锈钢的组织进行表征，操作电压为200 kV，透射电镜的制样过程如下：用线切割机将试样切成长1 mm厚的薄片，将其机械减薄至0.05 mm，用冲片器压成φ3 mm的圆片，然后用双喷电解仪进行电解减薄，所用电解液体积分数为2%的高氯酸酒精溶液.

拉伸性能的测试：根据国标GB/T 228—2002金属材料室温拉伸试验的技术要求，拉伸试样用线切割机加工，切割方向为轧制方向，标距部分尺寸为0.8 mm×3.5 mm×13 mm.实验在AT10t试验机上进行，拉伸速度为0.2 mm/min.相同条件测3个样品以保证实验数据的准确性.实验都取三组测试数据的平均值.在HBRVU-187.5型布洛维氏光学硬度计上测定硬度.硬度测试中加载载荷是298 N，加载时间是12 s，实验的最终硬度值取5个点的平均值.

2 结果分析

2.1 显微组织

图1是微纳结构2507双相不锈钢在1 000 ℃轧制变形量为40%、60%和80%的XRD图谱，轧制样品均由γ和α组成.利用XRD定量分析方法谢乐公式(式1)计算可知，变形量为40%、60%和80%的铁素体晶粒尺寸分别为22、21、25 nm，奥氏体晶粒尺寸分别为27、29、29 nm.

d=Kλ/Bcosθ

(1)

式中：d为平均晶粒尺寸；K为常数0.9；λ为特征X射线波长；B为由晶粒细化引起的衍射线变宽时衍射峰的半高宽；θ为衍射角.

图2是微纳结构2507双相不锈钢在1 000 ℃不同轧制变形量下的光学金相组织，可以看出,2507双相不锈钢主要由两相组成，白色为γ，黑色为α.当试样轧制后，两相均被拉长.

图3是微纳结构2507双相不锈钢在1 000 ℃不同轧制变形量的SEM照片.从图上可以看出材料主要由深灰色γ和浅灰色α组成，还有黑色析出物.当轧制变形量大于60%时，两相沿着轧制方向被明显拉长，使用Image Pro Plus统计10张SEM照片，统计γ和α体积分数，轧制变形量为40%、60%和80%的γ体积分数分别为48%、49%和37%，α体积分数为52%、51%和63%，随着轧制变形量的增加，γ体积分数呈减少趋势.

图4～6分别为2507双相不锈钢在1 000 ℃变形量为40%，60%和80%的TEM照片，各图a为明场像，b为暗场像，c为选区电子衍射.从明场像可以看出，不同变形量轧制钢的组织均有黑色纳米晶和白色亚微米晶，且晶粒细小.暗场像中白色的亮点也证实了纳米晶的存在.选区电子衍射为连续的环状，表明不同取向晶粒的存在.衍射环上的明亮斑点表明钢在轧制过程中产生了择优取向.利用IPWIN6软件对暗场像中纳米晶晶粒尺寸和体积分数进行统计，结果如图7所示，当轧制变形量分别为40%，60%和80%时，对应纳米晶的晶粒尺寸分别为34、32、32 nm，纳米晶的体积分数分别为17.1%，15.2%和6%.随着轧制变形量的增大，纳米晶体积分数减少.

2.2 力学性能

图8为微纳结构2507双相不锈钢在1 000 ℃不同轧制变形量的力学性能，其中图8a为轴向拉伸工程应力-应变曲线，图 8b为样品的抗拉强度、屈服强度和延伸率的变化趋势图，图 8c为硬度变化图.从图8b、c看出，随轧制变形量的增加，屈服强度、抗拉强度和硬度都呈增加趋势.轧制变形量为40%、60%和80%的屈服强度分别为232、284、456 MPa，抗拉强度分别为533、577、582 MPa，硬度分别为325、330、337 HV.轧制变形量为40%、60%和80%的延伸率分别为12.5%、11.1%和11.5%，延伸率随轧制变形量的增加基本不变.

3 分析讨论

微纳结构2507双相不锈钢在1 000 ℃不同变形量轧制时，随轧制变形量的增加，γ向α转变.这是由于在500～1 600 ℃温度对双相不锈钢进行热加工时，γ的晶体缺陷密度增高，会有利于铁素体形核[10].具体可分为以下几方面：1) 由于形变，γ晶粒形状发生变化，晶粒被压扁拉长，单位体积中的晶界面积增大，增多了α形核的位置；2) 晶界处塞积大量位错，为γ-α形核提供了有利的热力学条件，增大单位面积上的形核率；3) 晶界内形成的变形带也塞积大量位错，增多了γ-α形核位置，增大了形核率.随着变形量的增大，形核位置也随之增加，因此随着轧制变形量的增加，γ体积分数减少，α体积分数增大.实验观察到的结果是γ的体积分数分别为48%、49%和37%，与分析相吻合.也和其他文献的报道相一致[11].

微纳结构2507双相不锈钢热轧时，除了发生相变，晶粒结构也会发生变化.这种变化基本上分为两大类：第一，在热轧过程中，微米晶中产生的位错密度通过交滑移和攀移的方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，产生动态多边形化甚至再结晶而细化晶粒.第二，在热轧过程中，纳米晶晶粒的变化与传统的粗晶不同，纳米晶变形时，晶粒内部难以储存位错，所以很难实现动态多边形化.另外，纳米晶中高密度的晶界存储了大量晶界焓为晶粒长大提供了强大的驱动力.因此，纳米晶的结构细化变得更加困难，在热机械作用下，晶粒合并长大.在这两种机制的作用下，晶粒分布均匀且纳米晶体积分数减少[12].

微纳结构2507双相不锈钢在1 000 ℃变形量40%、60%和80%轧制后，材料的强度逐渐提高，这和硬度的变化趋势保持一致.根据硬度和强度的经验换算关系式[13]:

(2)

计算得到材料的抗拉强度分别为1 066、1 083、1 106 MPa，硬度换算的强度远高于材料的实际抗拉强度.这主要是由于铝热反应法制备的微纳结构合金内部有微量的气孔与夹杂，轧制变形后组织中的部分气孔、疏松等缺陷消失，夹杂物或脆性相的形态及分布得以改善，再加上轧制使晶粒分布均匀，材料的力学性能得到显著提高.但夹杂物或脆性相依然会恶化材料的拉伸性能，降低材料的抗拉强度.而夹杂物或脆性相对材料的硬度影响不明显.所以由硬度和强度的经验换算关系式得到的抗拉强度大于材料的实际抗拉强度.材料在1 000 ℃不同变形量轧制后，微米晶中位错的作用与纳米晶体积分数的减少对延伸率的影响相互抵消，延伸率基本不变.

4 结论

1) 热轧变形量40%、60% 和 80%下，2507双相不锈钢的γ相和α相都沿轧制方向拉长，且轧制过程中发生γ向α转变.2) 随着热轧变形量的增加，钢中纳米晶体积分数逐渐减小.3) 热轧变形量为40%、60%和80%后钢的屈服强度分别为232、284、456 MPa；抗拉强度分别为533、577、582 MPa；硬度分别为325、330、337 HV；延伸率分别为12.5%、11.1%和11.5%.总体材料强度提高，延伸率基本保持不变.