轻量化大截面奥氏体不锈钢锻件热成形工艺优化

张楚函，梁笑笑，吴悦，杨佳卉，毛向阳，2

（1.南京工程学院材料科学与工程学院，江苏 南京，211167；2.江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室，江苏 南京，211167）

引言

奥氏体不锈钢因具有高强度、良好的耐蚀性等被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域，如不锈钢轴承、飞机内架、航空发动机弹簧等［1-5］。然而，随着装备大规格化及服役环境恶劣化，对大截面奥氏体不锈钢工件的性能提出更高要求。目前大截面奥氏体不锈钢工件的制造多采用锻造工艺代替铸造，以消除铸造缺陷［6］，优化了机械性能，但是大截面奥氏体不锈钢在锻造过程中会产生晶粒尺寸分布不均［7］，加工性能差［8］，热裂缺陷［9］等问题。当前有关大截面奥氏体不锈钢高温加工的研究已见一些文献报道，如宋仁伯等［10］使用热模拟试验机进行高温压缩实验表明316L奥氏体不锈钢在高温压缩阶段只发生部分的动态再结晶，裴文姣等［11］通过热模拟试验机，研究得出316L不锈钢高温流变应力受变形温度和应变速率影响很大，并建立了本构方程，王鑫田等［12］使用热模拟试验机进行高温压缩实验，结果表明变形温度的升高，不锈钢的强度与伸长率有所下降且晶粒明显增大。然而，大截面奥氏体不锈钢锻件热成形引起的组织分布不均与使用寿命较短的问题仍未解决。本研究为了提高奥氏体不锈钢的质量与性能，利用热模拟实验和DEFORM研究不锈钢锻件的流变行为与组织演变，能够为热成形工艺优化提供可靠的实验依据。

1 实验材料与方法

选铸态奥氏体不锈钢为原材料，其主要成分为：w（C）≤0.035%，w（Si）≤1.00%，w（Mn）≤2.00%，w（Cr）=17%～18.2%，w（Ni）=11.5%～12.5%，w（Cu）≤1.00%，w（Mo）=2.25%～2.75%，将电渣重熔的铸锭加工成直径为8 mm，高度为12mm的圆柱状。

利用Gleeble-3180热模拟试验机对原材料进行单道次轴对称热压缩试验，变形温度分别为950，1050和1150℃，应 变 速 率 为0.05和0.1 s-1。以10℃/s速率将材料加热到变形温度，保温60 s，然后以不同的应变速率ε加载至压下量为50%为止，变形后快速空冷至500℃后水冷，对试样在不同工艺参数下的热变形抗力进行研究。

用DEFORM-3D进行模拟，利用SolidWorks构建材料的模型，尺寸是直径为8mm，高度为12mm的圆柱状，导入几何模型，将已得出的316L奥氏体不锈钢真应力应变曲线导入材料库中，进行网格划分，选择正四面体网格，之后设置运动参数，0.05 s-1与0.1 s-1的运动参数分别设置为0.6 mm/s与1.2 mm/s，传热系数设置为0.5 W/（m2·℃），摩擦系数为0.7等，建立动态再结晶模型，变形温度、应变速率和环境参数等都和实际一致后开始模拟，对拟合图像与实验图像进行分析，并对材料在变形过程中的损伤值、等效应力和再结晶行为进行分析。

2 实验结果与分析

2.1 热变形工艺参数对奥氏体不锈钢热变形抗力的影响

2.1.1 应变速率

图1为同一变形温度在不同应变速率下铸态奥氏体不锈钢的真应力-应变曲线。从图1（a）中可以看出，当保持相同变形温度950℃，应变速率从0.05 s-1增大到0.1 s-1时，热变形抗力显著增大，这主要由于在该工艺下铸态奥氏体不锈钢产生了很大的加工硬化。当应变小于10%时，不同应变速率的热变形抗力相近，随着应变的增大，两者的热变形抗力之差随之增大，并在压下量为50%时达到最大，且曲线趋于水平，原因是软化作用增强与加工硬化效果达到平衡。从图1（b）中可以看出，当变形温度保持1050℃时，热变形抗力随着变形速率的增大而增大，但增大幅度远小于950℃。

2.1.2 变形温度

图2为铸态奥氏体不锈钢原材料在相同速率不同温度下的真应力-应变曲线。从图2（a），（b）可以看出，在同一应变速率0.1，0.05 s-1下，材料的热变形抗力随着温度的升高而降低，这是由于随着温度升高，各个原子的热振动显著增强，原子间的相互作用力减弱，使得塑性变形的阻力减小，新的滑移系统不断的产生，因此使得材料的热变形抗力随温度的升高而下降，材料更易变形［13］。

2.2 热变形工艺参数有限元模拟

2.2.1 数值拟合

图3分别为0.1，0.05 s-1的速率下，不同温度的铸态奥氏体不锈钢原材料的真应力应变曲线。实线为热模拟得出的真应力应变曲线，虚线为Origin拟合后的曲线。从图中可以看出，拟合图像和实验所得图像基本吻合。其中，950℃时在应变速率0.1，0.05 s-1下的热变形抗力均为最大，随着温度的上升，热变形抗力呈现下降趋势。同时，在应变速率为0.05 s-1的不同温度下，热变形抗力较小。

2.2.2 损伤值分析

图4为压缩模拟时不同温度和应变速率的损伤值分析。损伤值是反应材料断裂倾向的物理量，应变量的积累达到临界损伤值Cmax时，材料会发生破坏［14］。当温度为950℃，应变速率从0.05 s-1加大到0.1 s-1时，损伤值最大值从0.348增加到0.396。因为应变速率的增大，应变所需的时间变短，材料整体需要更大的应力才能发生变形。且较快的应变速率可能会产生变形热，使材料软化，塑性变好［15］，表现为损伤值的增大。当应变速率保持0.05 s-1，温度从950℃加大到1150℃时，中心部位损伤值从0.348减小为0.304。因为温度越高，材料越容易加工，所需 要的力就更小，表现为损伤值越低。

2.2.3 等效应力分析

图5为压缩模拟时不同温度和应变速率的等效应力分布，可以发现，温度为950℃，应变速率从0.05 s-1提高到0.1 s-1时，等效应力最大值由457 MPa增加到763 MPa，材料变形所需的应力更大。当应变速率保持在0.05 s-1，温度升高时，等效应力最大值由457 MPa减小399 MPa，试样更易变形。

2.2.4 再结晶行为分析

图6为不同温度和应变速率下的动态再结晶平均晶粒尺寸分布，可以发现，当变形温度为950℃时，应变速率为0.05 s-1的试样比速率为0.1 s-1的试样心部再结晶体积分数更大，再结晶晶粒也更加细小，晶粒大小在3.95～13.5 μm之间，中心以外只有部分发生再结晶，再结晶不太明显。最外层晶粒尺寸无显著变化，其值约为80 μm。当应变速率保持0.05 s-1时，发现1150 °C，0.05 s-1的试样中心大部分发生完全再结晶，且大部分晶粒在17.2～44.1 μm之间。根据阿伦尼乌斯经验公式k=Ae-Ea/（RT）知，动态再结晶温度越高，反应速率越快，达到相同再结晶量的时间越短，动态再结晶程度越高。

3 结论

（1）铸态奥氏体不锈钢锻造温度在950，1050和1150℃时，随着应变速率增高或温度的降低，材料热变形抗力越大。

（2）铸态奥氏体不锈钢DFORM有限元分析结果表明，当锻造温度相同时，应变速率越高，损伤值与等效应力越大；当应变速率相同时，锻造温度越高，损伤值与等效应力越小，心部再结晶体积分数较大，中心以外再结晶体积分数小；当锻造工艺参数为1150 °C，0.05 s-1时，试样中心大部分发生完全再结晶，再结晶程度高，达90%以上，多数晶粒在17.2～44.1 μm之间。

（3）铸态奥氏体不锈钢锻造最佳工艺参数为锻造温度1150 °C、应变速率0.05 s-1。