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晶粒細(xì)化對(duì)301LN奧氏體不銹鋼管變形機(jī)理及力學(xué)性能的影響

發(fā)布時(shí)間：2021-07-27 08:32:09 丨 瀏覽次數(shù)：

利用相轉(zhuǎn)化的原理，利用冷軋將亞穩(wěn)態(tài)奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變馬氏體，然后在不同的溫度和時(shí)間下退火，得到平均晶粒尺寸為500nm和22m的納米晶/超細(xì)晶是可能的。不銹鋼管。通過拉伸試驗(yàn)獲得301LN奧氏體不銹鋼管的力學(xué)性能，當(dāng)變形量為0.1時(shí)，通過TEM觀察試樣的顯微組織，通過SEM觀察斷口形狀特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，301LN奧氏體不銹鋼管的晶粒尺寸由粗細(xì)化為納米/超細(xì)，屈服強(qiáng)度提高了2.3倍。低屈服強(qiáng)度的粗晶粒301LN奧氏體不銹鋼管在塑性變形過程中經(jīng)歷TRIP效應(yīng)以獲得優(yōu)異的塑性。 TWIP 效應(yīng)，即從不同變形機(jī)制獲得的拉伸試樣的破壞，都是延性破壞。變形機(jī)制從TRIP 效應(yīng)到TWIP 效應(yīng)的變化是由于晶粒細(xì)化導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定性顯著增加。

奧氏體不銹鋼管是不銹鋼管中最主要的一種，其產(chǎn)量和消費(fèi)量占不銹鋼管總產(chǎn)量和消費(fèi)量的70%左右。奧氏體不銹鋼管是一種很好的材料，具有優(yōu)良的低溫性能、較強(qiáng)的耐腐蝕性能、良好的塑性和延展性、較高的抗拉強(qiáng)度，因此被廣泛應(yīng)用于低溫技術(shù)、海洋工程、生物化學(xué)等行業(yè)。一]。結(jié)構(gòu)件通常具有機(jī)械性能要求，因?yàn)樗鼈兂惺芾?、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)和沖擊等各種載荷，并經(jīng)常以過度變形、尺寸變化、斷裂等形式失效。但是，這種奧氏體不銹鋼管的屈服強(qiáng)度很低，極大地限制了其作為結(jié)構(gòu)件的使用。隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)奧氏體不銹鋼管的屈服強(qiáng)度性能提出了更高的要求，這已成為高強(qiáng)度高塑性奧氏體不銹鋼管發(fā)展的推動(dòng)力之一[2]。

加強(qiáng)措施有很多方法可以達(dá)到高強(qiáng)度。許多強(qiáng)化方法不能兼顧強(qiáng)度和塑性，往往增加強(qiáng)度但大大降低塑性。細(xì)化顆粒不僅可以顯著提高強(qiáng)度，而且還可以使塑性基本保持不變或保持很小的程度。根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體結(jié)合退火是一種細(xì)化奧氏體不銹鋼管晶粒的有效方法[3-6]。冷變形將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃务R氏體，然后通過退火使馬氏體再結(jié)晶得到納米晶/超細(xì)晶粒奧氏體，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性匹配。奧氏體不銹鋼管。這種高強(qiáng)度納米晶/超細(xì)奧氏體不銹鋼管可以通過細(xì)晶增強(qiáng)獲得優(yōu)異的屈服強(qiáng)度，并且在變形過程中具有優(yōu)異的TRIP（變形誘導(dǎo)塑性）效應(yīng)或TWIP（纏繞誘導(dǎo)塑性）效應(yīng)。可塑性[7] 顯示出優(yōu)異的性能優(yōu)勢(shì)。奧氏體不銹鋼管的變形機(jī)理對(duì)其力學(xué)性能有非常重要的影響。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)奧氏體鋼通過晶粒細(xì)化的變形機(jī)制研究較少，尤其是晶粒細(xì)化為納米晶/超細(xì)晶粒。

本文以301LN奧氏體不銹鋼管為實(shí)驗(yàn)材料，結(jié)合奧氏體不銹鋼管的應(yīng)用前景和國(guó)內(nèi)奧氏體不銹鋼管晶粒細(xì)化及變形機(jī)理的研究現(xiàn)狀，采用逆向原理。國(guó)外。通過冷軋和退火工藝獲得轉(zhuǎn)變的納米晶/超細(xì)奧氏體不銹鋼管，并在拉伸試驗(yàn)中研究了與粗奧氏體不銹鋼管相比的顯微組織和力學(xué)性能的演變。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為一般301LN奧氏體不銹鋼管，各合金元素比含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.017%C、0.52Si、1.29%Mn、17.3%Cr、6.5%Ni、0.15%Mo、0.15% . NS。理論公式[2]計(jì)算的堆垛層錯(cuò)能量為15.7 mJ/m2。將鋼板在實(shí)驗(yàn)室冷軋機(jī)中冷變形至77%應(yīng)變，然后用熱模擬器退火，將鋼板快速加熱至700和1000，分別保溫100s和1s，然后迅速冷卻至室溫。冷軋和退火工藝獲得納米晶/超細(xì)（NG/UFG）和粗晶（CG）奧氏體不銹鋼管。用Navo400場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察結(jié)構(gòu)，用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，制備應(yīng)變?yōu)?.1，拉伸速率0.004s-1的納米晶/超細(xì)晶和粗晶樣品；日立透射電子顯微鏡（TEM）觀察應(yīng)變?yōu)?.1的樣品微觀結(jié)構(gòu)，并采用JEOL-6300 FV掃描電子顯微鏡分析拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 奧氏體粒度分布

301LN奧氏體不銹鋼管在不同溫度和時(shí)間退火后的顯微組織見如圖1。 700-100秒處理后，馬氏體完全逆轉(zhuǎn)為奧氏體，奧氏體晶粒與冷變形過程中形成的板條狀不同，幾乎呈等軸狀（如圖1 如圖1(a))。同時(shí)，由于退火溫度低，晶粒長(zhǎng)大不明顯，大部分晶粒非常細(xì)小。但試樣經(jīng)1000處理后晶粒粗大，組織基本為粗大奧氏體晶粒，如如圖1(b)所示。 700C退火組織中的晶粒大部分為納米晶/超細(xì)晶，94%的晶粒尺寸小于1 m的晶粒平均晶粒尺寸為500 nm，1000退火的結(jié)構(gòu)C是粗奧氏體。平均粒徑為~22 m。

2.2 力學(xué)性能和變形行為

圖2 顯示了用于納米晶/超細(xì)晶粒和粗晶粒301LN 奧氏體不銹鋼管拉伸測(cè)試的工程應(yīng)力工程應(yīng)變曲線。納米晶/超細(xì)晶粒301LN奧氏體不銹鋼管的拉伸曲線具有明顯的屈服平臺(tái)，屈服強(qiáng)度高達(dá)939 MPa，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為1098 MPa和38.8%。良好的強(qiáng)力塑料匹配。但預(yù)制301LN奧氏體不銹鋼管的拉伸曲線沒有屈服平坦度，隨著應(yīng)變的不斷增大，拉伸應(yīng)力也隨之增大，0.2%應(yīng)變處的應(yīng)力定義為屈服強(qiáng)度，約為410 MPa強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為905 MPa 和54.2%。由于晶粒細(xì)化作用，外力引起的塑性變形可以分散成更多的晶粒，應(yīng)力集中較小，位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)所需的應(yīng)力較高。晶界面積越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到干擾時(shí)的屈服強(qiáng)度越高[8]。 301LN奧氏體不銹鋼管將晶粒細(xì)化為納米晶/超微晶后，屈服強(qiáng)度可提高2.3倍。

塑性變形過程中結(jié)構(gòu)的演變對(duì)材料性能起著決定性的作用。奧氏體不銹鋼管在受外應(yīng)力作用的亞穩(wěn)態(tài)奧氏體中發(fā)生TRIP效應(yīng)或TWIP效應(yīng)，從而產(chǎn)生優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和高塑性[7]。使用透射電子顯微鏡，觀察了應(yīng)變率為0.1的納米晶/超細(xì)顆粒和粒狀301LN奧氏體不銹鋼管的微觀結(jié)構(gòu)，并分析了變形過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變。圖3(a) 顯示了應(yīng)變=0.1 時(shí)納米晶/超微晶301LN 奧氏體不銹鋼管的微觀結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯瑠W氏體晶粒中含有大量的層狀斷層，層狀斷層中形成了細(xì)小的針狀結(jié)構(gòu)，圖3。 3(b)中的衍射圖證明該結(jié)構(gòu)為FCC結(jié)構(gòu)，微針狀結(jié)構(gòu)為變形孿晶。在粗晶301LN奧氏體不銹鋼管中，在粗晶中發(fā)現(xiàn)了少量板條狀組織，通過衍射圖確定為變形馬氏體（見圖3（c）和3（d））。此外，該樣本具有大量的位錯(cuò)簇。 TEM 結(jié)果表明，TWIP 效應(yīng)發(fā)生在納米晶/超晶301LN 奧氏體不銹鋼管變形過程中。在塑性變形過程中，許多位錯(cuò)在剪切應(yīng)力的作用下沿滑動(dòng)面移動(dòng)，當(dāng)它們與障礙物碰撞時(shí)，它們被固定并引起堵塞和纏結(jié)。隨著應(yīng)力的不斷增加，位錯(cuò)變得難以再次滑移，晶體發(fā)生孿晶變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)孿晶。孿晶的形成改變了晶體的取向，進(jìn)一步刺激了滑動(dòng)，使材料表現(xiàn)出更好的可塑性[9]；同時(shí)，應(yīng)變孿晶有效地分裂奧氏體晶粒并充當(dāng)亞晶界。防止滑倒。減少位錯(cuò)，產(chǎn)生應(yīng)變硬化效應(yīng)并使材料具有高拉伸強(qiáng)度[10]。粗晶301LN奧氏體不銹鋼管變形時(shí)產(chǎn)生變形馬氏體。奧氏體在外力作用下發(fā)生塑性變形時(shí)，位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)交叉，導(dǎo)致滑移阻力大幅度增加，機(jī)械上這種現(xiàn)象越來越硬。在應(yīng)力集中區(qū)，奧氏體變形形成馬氏體，該區(qū)域的強(qiáng)度增加，應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到周圍的軟奧氏體上，這種變化延遲了該區(qū)域的進(jìn)一步變形，產(chǎn)生了均勻的延伸率。在提高材料塑性的同時(shí)，材料在奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后的強(qiáng)度主要由抗拉強(qiáng)度高的馬氏體決定[11]。因此，兩組樣品均具有良好的拉伸強(qiáng)度和塑性。

2.3 裂縫類型

金屬斷裂后獲得的重合斷裂面稱為斷口。由于失效總是發(fā)生在結(jié)構(gòu)最薄弱的部分，失效模式已成為分析材料性能的重要手段。圖4和圖5分別顯示了納米晶/超細(xì)晶粒301LN奧氏體不銹鋼管的拉伸破壞形態(tài)。納米晶/超細(xì)晶301LN奧氏體不銹鋼管在拉伸破壞時(shí)無明顯頸縮，斷口較平坦，無明顯起伏（見如圖4(a)）和斷口覆蓋的凹坑；同時(shí)，一些凹坑串聯(lián)形成帶狀組織（如圖4(b)箭頭），高倍放大顯示凹坑近似等軸，直徑小，深度大，在沒有夾雜物的情況下（圖4（c）），凹坑的平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為401 nm 和132 nm。而粗晶301LN奧氏體不銹鋼管斷口處有明顯的頸縮，斷口處有輕微的起伏（如圖5(a)）。如圖5(b))所示，凹坑底部無夾雜物，高倍形態(tài)顯示斷口近似等軸，凹坑大而淺(圖5c)，平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為982 nm 和620 nm。結(jié)果表明，拉伸破壞是在不同變形機(jī)制下的延性破壞[12,13]。

2.4 奧氏體穩(wěn)定性與變形機(jī)制

奧氏體不銹鋼管的變形主要受堆垛層錯(cuò)能控制。當(dāng)堆垛層錯(cuò)能小于15mJ/m2時(shí)，變形機(jī)制主要是TRIP，當(dāng)堆垛缺陷能在15mJ/m2和20mJ/m2之間時(shí)，TRIP和TWIP共存，當(dāng)層錯(cuò)能為20mJ/m2時(shí)， TRIP 被TWIP 取代[14-16]。堆垛層錯(cuò)能主要受合金化學(xué)成分和溫度的影響。當(dāng)堆垛層錯(cuò)能為15.7 mJ/m2的301LN奧氏體不銹鋼管[2,17]的晶粒尺寸從粗細(xì)化到納米晶/超細(xì)時(shí)，變形機(jī)制從TRIP轉(zhuǎn)變?yōu)門WIP。此時(shí)，變形機(jī)制的變化僅僅考慮層錯(cuò)能是不夠的，還需要考慮奧氏體的穩(wěn)定性進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。奧氏體的穩(wěn)定性取決于合金成分的變化。

同時(shí)，晶粒尺寸的變化對(duì)奧氏體的穩(wěn)定性有非常明顯的影響。將奧氏體不銹鋼管的晶粒細(xì)化成納米晶/超細(xì)晶粒，顯著提高奧氏體的穩(wěn)定性，將奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體Md30（在30%真應(yīng)變條件下），50%的奧氏體將相應(yīng)的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?位點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度）和Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）將明顯降低，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變所需的彈性應(yīng)變能[18]和臨界儲(chǔ)能[11]急劇增加。這使得形成變形馬氏體變得極其困難。 Takaki等[17]根據(jù)奧氏體不銹鋼管在深冷處理過程中的馬氏體轉(zhuǎn)變行為，推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)方程，計(jì)算出各種尺寸奧氏體晶粒中馬氏體形核所需的彈性變形能，如式（1）所示。做過。

Ev=1276.1 (x/d)2+ 562.6 (x/d) (1) 其中Ev 是單位體積奧氏體馬氏體形核所需的彈性變形能，x 是馬氏體板條的厚度，D 是奧氏體奈特粒度。馬氏體板條厚度為200 nm的各種尺寸奧氏體中馬氏體形核所需的彈性應(yīng)變能計(jì)算如如圖6所示。奧氏體晶粒尺寸為22m時(shí)，Ev約為6MJ/m3，奧氏體晶粒細(xì)化至500nm時(shí)，Ev約為429MJ/m3。因此，納米晶/超細(xì)奧氏體不銹鋼管中馬氏體形核所需的Ev約為粗相變所需的71.5倍。奧氏體不銹鋼管納米晶/超細(xì)晶中很難形成應(yīng)變馬氏體，在高應(yīng)力/應(yīng)變條件下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變孿晶。因此，晶粒由粗晶粒細(xì)化為納米/超細(xì)晶粒，奧氏體不銹鋼管的變形機(jī)制也由TRIP機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)門WIP機(jī)制。

3 結(jié)論

(1)301LN奧氏體不銹鋼管晶粒尺寸由粗晶粒細(xì)化為納米晶/超細(xì)晶粒，屈服強(qiáng)度提高2.3倍。

(2) 粗晶301LN低屈服強(qiáng)度奧氏體不銹鋼管在塑性變形過程中經(jīng)受TRIP效應(yīng)以獲得優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和塑性，而高屈服強(qiáng)度的納米晶/超細(xì)晶301LN奧氏體不銹鋼管則經(jīng)受TWIP效應(yīng)拉伸它有良好的強(qiáng)度和塑性。

(3)TRIP向TWIP轉(zhuǎn)變機(jī)制的變化是由于晶粒細(xì)化使奧氏體穩(wěn)定性大幅度提高。