双相不锈钢热变形过程中材料性能的研究

钢铁作为我国国民经济的重要支撑，在能源、环境、航空航天、国防以及国家重大工程等领域具有不可替代的作用。微观组织的演化过程会影响奥氏体和铁素体的显微组织状态，对材料内部的晶粒尺寸分布起到决定性的作用，因此一定程度上钢的力学性能会受到影响。双相钢较高的强度和疲劳强、良好的抗腐蚀能力和可焊性使其在深海管道、石油化工、造船造纸等方面的应用十分广泛。双相钢在热变形过程中可能会因为热处理工艺的不当致使刚的性能恶化，降低钢材的屈服强度和塑韧性，影响钢的质量和安全性。因此，研究双相钢在热变形过程中材料的性能，从而掌握性能与相组织结构、热变形参数三者之间的变化规律，并应用到实践中，具有重要的理论意义和应用价值。我国对双相钢热变形行为的研究起步较晚，虽然取得了一定的结果，但是结论还未达到一致。本次通过研究双相钢在不同的热变形参数下的应力-应变曲线，分析双相钢在这些变形参数下的材料性能。

1  试验材料及方法

试验所用材料为双相不锈钢。根据试验安排，将样坯在线切割机上切割加工为尺寸φ10mm×15mm的圆柱形试样，用不同型号的砂纸将试样打磨到端面光滑无划痕。将准备好的试样安装在Gleeble-1500热模拟试验机上，根据不同的工艺参数依次进行单道次压缩试验。将试样放入试验机之前，在试样两端涂抹上粘稠状石墨，其目的在于避免试样和压头直接接触，减少试样与压头之间的摩擦并起到缓冲作用。试验进行时，为避免试样表面在升温过程中发生氧化反应，在样品室通入保护气体-氩气。将试样以10℃/s的速度加热到1200℃进行奥氏体化，保温5分钟以获得奥氏体晶粒，然后以10℃/s的速度冷却至变形温度，保温30s以消除试样内部温度梯度，然后在应变量为0.8时，以不同的应变速率进行压缩变形。变形完成后对试样水淬。具体试验方案如图1所示： 

图1  单道次热压缩试验工艺示意图

具体实验工艺参数如表1所示：

表1  热压缩工艺试验参数

2  结果分析

2.1  不同应变速率

图2表示变形温度不变时，不同应变速率时的应力-应变曲线。从图2中可以看出，变形温度一定时，不同的应变速率下的应力-应变曲线都出现了峰值应力，表明双相钢在热变形工程中出现加工硬化。曲线出现最高点后呈下降趋势，为DRX现象。最后，曲线趋于平缓，存在稳定变形区域，双相钢产生稳定的塑性变形，此时材料的内部组织变化稳定。应变速率越大，对应的应力值越大，材料的临界剪切力越大，峰值应力越大。应力-应变曲线的变化是因为双相钢在热变形过程中的软化机制是由DRX与DRV共同作用的。当应变速率较小时，变形时所需的应力较低，变形开始于较软的且层错能较低的铁素体。因此变形主要发生在铁素体相，软化机制以DRV为主。应变速率变大，变形的速率也赠大，此时铁素体的DRV来不及进行，变形主要在奥氏体中进行，软化机制以DRX为主。 

图2  变形温度一定时不同应变速率的应力-应变曲线

2.2  不同变形温度

图3表示应变速率不变时，不同变形温度时的应力-应变曲线。从图3 可以看出，在应力-应变曲线中也观察到了峰值应力，这表明应变速率不变时，不同的变形温度下的双相钢也出现加工硬化。曲线因DRX在峰值后也呈下降趋势。当应变速率一定时，变形温度越高，流动应力越小，加工硬化率越低，峰值应力越小。随着变形温度的升高，应力-应变曲线趋于稳定，稳态区域变长。这是因为材料在变形过程中的软化机制与加工硬化基本平衡，相互抵消，接近刚塑性模型。应变速率确定时，变形温度越低对应的应力值越大。当变形温度较低时，在热变形过程中铁素体相向奥氏体相转变占主导地位，材料中的奥氏体含量增加，软化机制为DRX；随着温度的升高，材料中以奥氏体相向铁素体相转变为主，此时软化机制以DRV为主。 

图5  应变速率一定时不同变形温度的应力-应变曲线 

观察图3和图4 的应力-应变曲线可以得出：变形初始阶段，曲线呈直线上升趋势，此时双相钢处于弹性变形阶段。随着应变量的增加，超过弹性范围，曲线呈抛物线形状，此时双相钢开始塑性变形，产生加工硬化。这期间，曲线都出现峰值应力，表现出DRX现象，提高了双相钢的热塑性。随着应变量的进一步增加，应力-应变曲线变化平整，出现稳态变形区域，双相钢产生稳态的塑性变形，这是由于材料在变形过程中软化和加工硬化过程基本平衡，相互抵消，接近刚塑性模型。

3  结语

高温变形过程中，当达到一定变形量后，流动应力基本保持不变，呈稳态变形区域。变形温度降低和应变速率增大，流变应力会增大；变形温度越高或应变速率越小，稳态区域会越长。

应力-应变曲线达到一定的应变量后开始下降并趋于平缓，出现稳态区域，双相不锈钢在变形过程中产生稳态的塑性变形，这是由于材料在热变形过程中动态软化与加工硬化过程基本平衡，相互抵消，接近刚塑性模型。