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Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢热变形行为及热加工图

张孝平  
【摘要】: Cr15Mn9Cu2Ni1N属于200系奥氏体不锈钢,主要以锰、氮元素来部分取代合金元素镍,从而获得全奥氏体组织,它以优异的力学性能及较低的成本广泛地被应用于各个领域。通过热加工工艺控制奥氏体不锈钢的再结晶组织,从而获得优异的性能,这在热加工过程中显得尤为重要。在工厂实际生产中,热轧是生产Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢带材的关键工序。由于这种钢的化学成分与常规的铬镍系奥氏体不锈钢存在较大的差异,热加工性能表现出极大的不同,人们对这种钢的热加工特性还未认识清楚。热轧加工过程的工艺制度还不够完善,在热轧生产过程中产品容易产生缺陷,如边裂、表面裂纹等,严重影响到产品的成型性。通常热加工图能很好地解决这些问题,故通过热加工图来研究Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的高温变形特性,具有重要的理论意义和应用价值。 本文在Thermorestor-W热/力模拟试验机上,采用恒温恒应变速率压缩试验方法,通过不同变形条件(T:950℃~1200℃,ε:0.01s~(-1)~2.5s~(-1))下的真应力-真应变曲线和热变形显微组织,研究了Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的热变形行为及热加工性能。基于动态材料模型理论(DMM),构造出不同应变量下的热加工图。结合高温变形组织,对热加工图进行综合分析,从而有效地将热加工过程中不同热变形条件下的微观机制明确揭示出来,清楚地给出优化的热加工工艺参数,为工艺制定的一般原则和可行工艺参数范围的选择提供了理论依据。主要研究结果如下: 1.在高温压缩时,Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著,随着变形温度的升高和应变速率的降低,流变应力减小。流变应力曲线有动态回复型和动态再结晶型两种。氮作为间隙固溶原子,具有显著的固溶强化效果,在变形温度小于1150℃时,氮含量的增加导致流变应力增大,而变形温度大于1150℃,这种影响不是很显著。 2.通过回归分析方法得到Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的热变形激活能,低氮时为490.79 kJ/mol,高氮时为464.22 kJ/mol。较高的锰含量使得这种钢的热变形激活能高于传统铬镍系不锈钢。氮对热变形激活能也有影响,氮含量增加321ppm使得激活能降低了26.27 kJ/mol。由真应力-应变曲线计算出的材料常数,得出它们各自的热变形本构方程。 3.在同一应变速率下,随着变形温度的升高,Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的显微组织经历了动态回复-部分动态再结晶-完全动态再结晶的组织演变规律。氮含量较低时,再结晶晶粒尺寸受应变速率的影响较小,但组织形态有变化,在0.01s~(-1)的应变速率下奥氏体晶界多为曲线状,而在2.5s~(-1)的应变速率下直线状的奥氏体晶界较多。氮含量较高时,随着变形温度的升高和应变速率的降低,再结晶程度逐渐增大,变形温度在1150℃以上时发生完全动态再结晶,而变形温度相同时,再结晶晶粒尺寸随应变速率的增大而减小。 4.由两种不同氮含量的Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的热加工图分析,得出“安全”热加工区域随着氮含量的增加而有所扩大。当氮含量较低时,随着应变量的增加,能量耗散效率因子变化较小,且分布和变化趋势大致相同,但流变失稳区域随应变量的增加而逐渐减少。优先选择的热加工参数为:变形温度为1170℃~1200℃,应变速率为O.1s~(-1)~2.5s~(-1),该区域为完全动态再结晶区。当氮含量较高时,流变失稳区域随应变量的增加从高温区向低温区移动,表明安全热加工区域随应变量的增大而扩大。适合热加工的工艺参数范围为:变形温度为1100℃~1200℃,应变速率为0.01s~(-1)~2.5s~(-1);变形温度为1020℃~1100℃,应变速率为0.4s~(-1)~2.5s~(-1)。其中优先选择的工艺参数为:变形温度为1120℃~1200℃,应变速率为0.18s~(-1)~2.5s~(-1),这个区域为完全动态再结晶区域,能量耗散效率达30%以上。


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