孔韋?！￡悓W(xué)東　閆永超　胡　盼

1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，2300092.合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥，230031

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應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼顯微組織和力學(xué)行為的影響

孔韋海1,2陳學(xué)東2閆永超2胡盼2

1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，2300092.合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥，230031

采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、X射線(xiàn)衍射儀、金相顯微鏡和透射電子顯微鏡，研究了應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼微觀(guān)組織和力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明：前期預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程中，材料沒(méi)有發(fā)生相變，形變孿晶數(shù)量的增加使材料的屈服強(qiáng)度和硬度得到大幅提高，但塑性有所降低，發(fā)生形變孿晶誘發(fā)強(qiáng)度效應(yīng)。隨著預(yù)應(yīng)變量的增大，應(yīng)變強(qiáng)化能力減弱，瞬變應(yīng)變有所降低，位錯(cuò)的滑移模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，從單系滑移和平面滑移向多系滑移和交滑移轉(zhuǎn)變。

應(yīng)變強(qiáng)化；形變孿晶誘發(fā)強(qiáng)度；力學(xué)行為；022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼

0　引言

近年來(lái)，隨著能源工業(yè)的高速發(fā)展，壓力容器的需求量不斷增加。在安全的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕型化，對(duì)節(jié)能降耗具有重要的意義[1-2]。022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼具有屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度)低、韌性好和組織穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，并可通過(guò)室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)提高其屈服強(qiáng)度，顯著減小壓力容器的壁厚，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕型化，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[2-3]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不但要了解變形過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，而且要清楚應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)對(duì)冷變形組織和力學(xué)性能的影響，以及強(qiáng)化態(tài)材料(經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)變處理的材料)的塑性流變行為。目前，對(duì)奧氏體不銹鋼冷變形行為的研究焦點(diǎn)主要集中在相變和位錯(cuò)滑移模式轉(zhuǎn)變對(duì)材料力學(xué)行為的影響[4-9]，針對(duì)強(qiáng)化態(tài)材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、塑性流變行為及其微觀(guān)機(jī)理研究還較少。

對(duì)大多數(shù)金屬和合金而言，均勻塑性變形階段的應(yīng)變硬化行為可用Ludwik或Hollomon模型σ=K1εn1來(lái)表達(dá)[6]，其中，σ為真應(yīng)力，ε為真實(shí)塑性應(yīng)變，K1為應(yīng)變硬化強(qiáng)度因子，n1為應(yīng)變硬化指數(shù)。但是Ludwigson[10]認(rèn)為，對(duì)于穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼，高應(yīng)變水平下的塑性流變行為可以用Ludwik模型描述，而較低應(yīng)變水平下應(yīng)對(duì)Ludwik模型進(jìn)行修正：

σ=K1εn1+Δ

Δ=exp(K2+n2ε)其中，Δ總是正值，且隨應(yīng)變的增大而減??；K2、n2為常數(shù)。文獻(xiàn)[10-11]對(duì)各種面心立方(fcc)合金的研究表明，導(dǎo)致Δ出現(xiàn)的主要原因是在高低應(yīng)變過(guò)渡區(qū)存在一個(gè)瞬變應(yīng)變?chǔ)臠。ε<εL時(shí)，位錯(cuò)滑移以單系滑移和平面滑移為主；ε>εL時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)則以多系滑移和交滑移為主，并形成位錯(cuò)胞。

本文通過(guò)對(duì)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼施加不同應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)(預(yù)應(yīng)變量和與預(yù)應(yīng)變速率)的拉伸變形，來(lái)研究其對(duì)材料組織與力學(xué)行為的影響，并利用Ludwigson模型對(duì)強(qiáng)化態(tài)材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的微觀(guān)組織探討了形變孿晶誘發(fā)強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)制，為確定應(yīng)變強(qiáng)化的工藝參數(shù)提供理論支持。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼板材，其化學(xué)成分如表1所示。材料的化學(xué)成分決定了其相變熱力學(xué)參數(shù)，在宏觀(guān)上表現(xiàn)為對(duì)奧氏體組織穩(wěn)定性的影響[12]，如馬氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度的計(jì)算值tMs=-131 ℃，材料發(fā)生30%應(yīng)變量導(dǎo)致50%馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度計(jì)算值tMD30=-49 ℃，層錯(cuò)能的計(jì)算值γSF=44mJ/m2。將板材進(jìn)行固溶處理(加熱至1050 ℃，保溫40min后水淬)后加工成拉伸試樣，尺寸如圖1所示[13]。

表1　材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

拉伸試驗(yàn)在電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)為SHT4505)上進(jìn)行，采用控制預(yù)應(yīng)變速率和預(yù)應(yīng)變量(引伸計(jì)控制)的方式加載，以10-4s-1、10-3s-1和10-2s-1的應(yīng)變速率使試樣強(qiáng)化至一定的預(yù)應(yīng)變量，應(yīng)變量分別為4%、8%和12%。然后，將強(qiáng)化后的試樣以3.3×10-3s-1的速率拉伸至斷裂。

圖1　拉伸試樣尺寸

在強(qiáng)化態(tài)試樣的標(biāo)距中心處截取長(zhǎng)度約12mm的圓棒，將圓棒的近中心端面磨制后拋光，在10%的草酸溶液中進(jìn)行電解浸蝕，然后用D8-AdvaceX射線(xiàn)衍射儀、XJG-05金相顯微鏡、HV30維氏硬度計(jì)和FEITecnaiG20透射電子顯微鏡進(jìn)行物相、顯微組織、硬度和位錯(cuò)組態(tài)分析。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1力學(xué)行為

表2所示為不同應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)下的室溫強(qiáng)化后022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能參數(shù)。同一預(yù)應(yīng)變量下，不同預(yù)應(yīng)變速率對(duì)材料的屈服強(qiáng)度RP0.2、抗拉強(qiáng)度Rm和維氏硬度HHV影響不大；相同預(yù)應(yīng)變速率下，隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，RP0.2、Rm和HHV都有所增加，其中，RP0.2增加的幅度遠(yuǎn)大于Rm，即兩者之間的差值越來(lái)越小。經(jīng)過(guò)12%預(yù)應(yīng)變的試樣，其RP0.2是固溶態(tài)試樣RP0.2的近2.5倍，硬度增加了約80HV10。綜上可知，RP0.2、Rm和HHV主要受預(yù)應(yīng)變量的控制和影響，對(duì)預(yù)應(yīng)變速率不敏感。相同預(yù)應(yīng)變量、不同預(yù)應(yīng)變速率情況下，斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z變化不大；同一預(yù)應(yīng)變速率下，A呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，Z總體為增長(zhǎng)的趨勢(shì)但相差并不大。

表2　試樣的強(qiáng)化參數(shù)和力學(xué)性能

屈強(qiáng)比η在壓力容器“等強(qiáng)度”設(shè)計(jì)理念中意義重大。由表2可看出，材料的屈強(qiáng)比η隨預(yù)應(yīng)變量的增大逐漸增大，而預(yù)應(yīng)變速率對(duì)η的影響很小。屈強(qiáng)比越低，說(shuō)明材料沒(méi)有得到充分的利用，材料的低值屈服強(qiáng)度限制了高值抗拉強(qiáng)度的潛能；從材料失效方面來(lái)說(shuō)，屈服只是表示材料進(jìn)入塑性流變階段，并不意味著塑性失穩(wěn)，即沒(méi)有造成破壞，因此合適的屈強(qiáng)比能在保證設(shè)備安全穩(wěn)定的前提下，使材料潛能得到充分利用，達(dá)到“等強(qiáng)度”效果。相關(guān)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)[14-17]認(rèn)為，材料強(qiáng)化后的屈強(qiáng)比值應(yīng)限定在0.8以下。從表2中可看出，未經(jīng)過(guò)強(qiáng)化的022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼η值較小，即使經(jīng)過(guò)8%應(yīng)變量的強(qiáng)化后，也完全符合標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。

2.2物相組成和顯微組織

用X射線(xiàn)衍射儀檢測(cè)強(qiáng)化態(tài)試樣中心部位的相組成，圖2所示為8號(hào)試樣中心部位的XRD譜。可見(jiàn)，在發(fā)生了12%變形的情況下，材料仍為單一奧氏體相，這個(gè)結(jié)果與tMS、tMD30、γSF的計(jì)算值相一致。可見(jiàn)，該不銹鋼可以通過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化(預(yù)應(yīng)變量不超過(guò)12%)的方式生產(chǎn)出不同強(qiáng)度級(jí)別的材料，其組織仍然保持單一的奧氏體狀態(tài)。

圖2　強(qiáng)化態(tài)試樣(8號(hào)試件)中心部位的XRD譜

圖3a所示為1號(hào)固溶態(tài)試樣的顯微組織。由于材料的層錯(cuò)能較低，在金相試樣磨制時(shí)可能產(chǎn)生了少量形變孿晶。隨著預(yù)應(yīng)變量的增大，平直的孿晶界清晰可見(jiàn)，如圖3b～圖3d所示。預(yù)應(yīng)變量為12%的試樣中，有些孿晶界在應(yīng)力的作用下發(fā)生了彎曲變形(圖3d中的2個(gè)箭頭所指)，說(shuō)明孿晶界的完全共格關(guān)系遭到破壞，進(jìn)一步阻礙變形的進(jìn)行。此時(shí)，滑移以單滑移為主，多滑移處于初始階段。

(a)1號(hào)試樣的顯微組織

(b)3號(hào)試樣的顯微組織

(c)6號(hào)試樣的顯微組織

(d)9號(hào)試樣的顯微組織圖3　不同預(yù)應(yīng)變量試樣的顯微組織

3　分析討論

3.1強(qiáng)化態(tài)材料屈服強(qiáng)度和硬度HHV的關(guān)系

如表2所示，強(qiáng)化態(tài)材料的硬度隨預(yù)應(yīng)變量的增大而增大，但增大的趨勢(shì)漸緩；強(qiáng)化態(tài)材料的硬度幾乎不受預(yù)應(yīng)變速率的影響。為了研究強(qiáng)化過(guò)程中硬度與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行擬合。由圖4可看出，不同預(yù)應(yīng)變速率下強(qiáng)化態(tài)材料的屈服強(qiáng)度與硬度基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過(guò)線(xiàn)性擬合分別得到不同預(yù)應(yīng)變速率下強(qiáng)化材料屈服強(qiáng)度和硬度的關(guān)系式：

RP0.2(10-4s-1)=3.45HHV-201.28

(1)

R2=0.99960

RP0.2(10-3s-1)=3.49HHV-203.50

(2)

R2=0.97989

RP0.2(10-2s-1)=3.54HHV-213.57

(3)

R2=0.96253

圖4　強(qiáng)化態(tài)材料屈服強(qiáng)度與硬度關(guān)系圖

隨著預(yù)應(yīng)變速率的減小，擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R越接近1，線(xiàn)性相關(guān)越高，與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)吻合越好。因此，在工程現(xiàn)場(chǎng)或不方便測(cè)量材料力學(xué)性能時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量其硬度獲得大致的屈服強(qiáng)度，為現(xiàn)場(chǎng)的工程師和檢驗(yàn)人員提供技術(shù)參考。

3.2強(qiáng)化態(tài)材料塑性流變行為

(a)3號(hào)試樣

(b)6號(hào)試樣

(c)9號(hào)試樣圖5　均勻塑性變形階段真應(yīng)力-真應(yīng)變對(duì)數(shù)曲線(xiàn)

應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼力學(xué)行為的影響與其加工硬化特性密切相關(guān)。層錯(cuò)能是影響變形機(jī)制的重要因素，當(dāng)奧氏體不銹鋼層錯(cuò)能在25～80 mJ/m2時(shí)，材料可以通過(guò)形變孿晶的形成獲得高強(qiáng)度和高塑性[19]。在變形初期，晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)缺陷，位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到障礙被釘扎造成塞積和纏結(jié)(圖7)，導(dǎo)致局部應(yīng)力的集中。當(dāng)應(yīng)力集中在孿生方向達(dá)到臨界應(yīng)力值時(shí)，晶體就開(kāi)始發(fā)生孿生變形，出現(xiàn)孿晶的交互生長(zhǎng)。高密度位錯(cuò)區(qū)和層錯(cuò)區(qū)、位錯(cuò)與孿晶以及孿晶與孿晶的交互區(qū)都能夠提供孿生的核胚。隨著預(yù)應(yīng)變量的增大，位錯(cuò)密度不斷增殖，細(xì)小的形變孿晶開(kāi)始平行聚集，形成束狀結(jié)構(gòu)，且其數(shù)量增加。這就進(jìn)一步阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，變形抗力增大，提高了屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[6,8,20-21]。另一方面，奧氏體晶粒被形變孿晶分割，導(dǎo)致其有效晶粒尺寸減小，這等效于細(xì)化晶粒，間接地增強(qiáng)了材料的應(yīng)變強(qiáng)化效果。本試驗(yàn)所用材料為單一的奧氏體組織，其層錯(cuò)能的計(jì)算值γSF=44 mJ/m2，隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，形變孿晶數(shù)量增加，從而獲得更高強(qiáng)度，符合形變孿晶誘發(fā)強(qiáng)度效應(yīng)。

(a)3號(hào)試樣

(b)6號(hào)試樣

(c)9號(hào)試樣圖6　均勻塑性變形階段的lnΔ-ε曲線(xiàn)

試樣編號(hào)K1(MPa)n1K2-n2εLσL(MPa)σ(MPa)11363.62240.50563.039812.12330.1228472.202820.9010621291.03560.41184.253917.91290.1399574.349170.3793631276.52910.41804.465820.69570.1334550.002386.9905941305.23630.41434.343323.60380.1134529.654576.9610951168.76160.30994.211326.94040.0925558.811467.4441661172.74210.32144.564325.05840.1120580.227495.9953771223.29090.34414.730226.18160.1136578.7614113.318281190.70400.27044.819627.54080.1070650.6496123.915591191.29950.27484.751225.01780.1147656.9843115.7231101208.69920.27074.915326.78780.1125669.1143136.3602

(a)3號(hào)試樣

(b)6號(hào)試樣

(c)9號(hào)試樣圖7　強(qiáng)化態(tài)材料位錯(cuò)組態(tài)形貌

4　結(jié)論

(1)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼具有很強(qiáng)的應(yīng)變強(qiáng)化特性，其力學(xué)行為對(duì)預(yù)應(yīng)變速率不敏感；隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，強(qiáng)度和硬度得到大幅提高，但韌性會(huì)有所降低。即使經(jīng)過(guò)8%變形量的預(yù)強(qiáng)化，材料的斷后延伸率仍在45%左右，屈強(qiáng)比η低于0.8，仍然具有相當(dāng)好的塑性?xún)?chǔ)備。所以8%的應(yīng)變量和10-3s-1的應(yīng)變速率是較合適的應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)。

(2)在工程現(xiàn)場(chǎng)或不方便測(cè)量材料力學(xué)性能時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量其硬度獲得大致的屈服強(qiáng)度，為現(xiàn)場(chǎng)的工程師和檢驗(yàn)人員提供技術(shù)參考。

(3)在前期應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程中，022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼沒(méi)有發(fā)生相變，而是產(chǎn)生了形變孿晶誘發(fā)強(qiáng)度效應(yīng)。

(4)Ludwigson模型可以較準(zhǔn)確地描述強(qiáng)化態(tài)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的塑性流變行為。應(yīng)變大于瞬變應(yīng)變?chǔ)臠時(shí)，滿(mǎn)足Ludwik模型；小于εL時(shí)，流變行為與Ludwik存在一個(gè)正偏差Δ。強(qiáng)化態(tài)的不銹鋼在塑性流變過(guò)程中的應(yīng)變強(qiáng)化能力隨預(yù)強(qiáng)化量的增加而逐漸減弱。

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(編輯張洋)

Effects of Strain-strengthening on Microstructure and Mechanics Behavior of 022Cr17Ni12Mo2 Austenitic Stainless Steel

Kong Weihai1,2Chen Xuedong2Yan Yongchao2Hu Pan2

1.Hefei University of Technology，Hefei，230009 2.National Safety Engineering Technology Research Center for Pressure Vessels and Pipeline，Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，230031

The effects of strain-strengthening on microstructure and mechanics behavior of 022Cr17Ni12Mo2 austenitic stainless steel were investigated by universal testing machine, X-ray diffraction, optical microscopy, and transmission electron microscopy. The results show that there is no phase transformation during the early stage of pre-strain strengthening. With the increase of deformation twins, the cold deformation can enhance the strength and hardness significantly, whereas the ductility of the steel is decreased. The deformation twinning induced strength effects are occurred. Meanwhile, the strain-strengthening ability of the strengthened steel and the transient strain are weakened with increase of the pre-strain. The appearance of deformation twins makes the change of dislocation slip mode, which transforms from single-slip and planar-slip to multiple-slip and cross-slip.

strain strengthening; deformation twinning induced strength; mechanics behavior; 022Cr17Ni12Mo2 austenitic stainless steel

孔韋海，男，1982年生。合肥通用機(jī)械研究院、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)閴毫θ萜饔貌男阅芘c應(yīng)用研究。發(fā)表論文10余篇。陳學(xué)東，男，1964年生。合肥通用機(jī)械研究院研究員、博士研究生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士。閆永超，男，1987年生。合肥通用機(jī)械研究院工程師。胡盼，男，1989年生。合肥通用機(jī)械研究院助理工程師。

2015-01-09

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1308085ME69)；合肥通用機(jī)械研究院青年科技基金資助項(xiàng)目(2013010646)

TG142.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.08.022