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17-4PH不锈钢的热变形和动态再结晶

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  17-4PH不锈钢的热变形和动态再结晶

  泰州市巨兴特钢制品有限公司总结如下:

  通过对显微组织的了解可推断出材料的性能。相和缺陷的状态、尺寸、分布和取向是显微组织的重要特征。在它们中间,诸如确定晶粒组织的晶界等缺陷非常重要。

  两项独立的研究:Hall对影响各种钢机械性能的因素的研究和Petch对影响各种钢脆性疲劳因素的研究,导致产生了著名的Hall-Petch关系,它从数学方面说明了晶粒尺寸与强度之间的依赖关系。众所周知,晶粒尺寸细化是在保持延展性同时增加强度的方法。

  要想使钢具有要求的机械强度,同时又不增加生产成本,热变形处理工艺是不可取代的。其核心是通过处理而不是合金化来提高材料的性能。因此要形成具有所需的相形状、尺寸、分布和取向的精细显微组织,就必须要小心谨慎的控制成型工艺参数。

  在对钢进行热变形过程中和热变形后,可根据各种现象,如动态再结晶(DRX),亚动态再结晶(MDRX),静态再结晶(SRX),奥氏体平展(pancaking),析出和相变,使用不同的策略来细化显微组织。

  在热变形过程中, 可通过动态再结晶来达到晶粒细化。在有些材料,如铝,动态回复(DRV)可抵消加工硬化,达到一个稳定水平。

  然而在许多材料中,如钢中的奥氏体相,DRV的动力低,仅靠DRV无法抵消加工硬化。结果,由于应变位错密度逐步增加,最终在变形过程中发生再结晶。

  DRX是热变形工艺中最为重要的软化机理之一,对显微组织和晶粒尺寸有显著的影响。基于这一特点,本文重点论述了压缩过程中17-4 PH不锈钢的(AISI 630)的显微组织变化和DRX造成的晶粒细化。

  17-4 PH不锈钢比其它任何类型的沉淀硬化(PH)不锈钢都常见。

  由于该钢种在没有严重降低延展性的同时提高强度,耐腐蚀性能优于同等强度的其它钢种,所以深受设计和工程技术人员的青睐。

  该钢种的热变形处理工艺,如锻造,是在奥氏体相稳定的温度范围进行的。

  由于17-4PH不锈钢中奥氏体的堆垛层错能低,热变形过程中主要恢复过程是动态再结晶(DRX)。在我们查阅文献时,没有查到任何有关这种重要工程合金DRX显微组织的资料。而且,还要指出,有关PH不锈钢晶粒细化的文献也有限。

  试验材料和步骤

  2.1 热压缩试验表1所示为本研究所用17-4 PH不锈钢的化学成分。热压缩试验所用试样为直径5mm,高度10mm的圆型试样,试样为Rastegaev形状,装有用作钻座和试样的接触表面润滑材料的玻璃粉。

  利用Baehr DIL-805热膨胀仪进行热压缩试验。在试验开始前,试样在1180℃的温度进行奥氏体化10min,然后保温5min。该工艺后,奥氏体晶粒的尺寸为D0 = 105μm(见图1(a)所示)。

  然后,在0.9左右的真应变情况下,以10-3~10 s-1的应变率,在950~1150℃的温度进行单一热压缩试验。

  2.2 金相学17-4 PH不锈钢的显微组织在室温时为马氏体。然而,为了描绘热变形的试样的特征,应揭示原奥氏体晶界(PAGBs)。由于有马氏体显微组织的存在,所以很难揭示钢中的原奥氏体晶界。

  揭示钢中原奥氏体晶界所用方法的效率主要取决于化学成分、热处理、变形条件和其它未知因素。在本研究中,我们发现有两种浸蚀方法可用来揭示17-4 PH不锈钢中原奥氏体晶界。第一种方法是在为奥氏体不锈钢研制的60%HNO3溶液中进行电解浸蚀,第二种方法是使用揭示原奥氏体晶界常用的浸蚀剂热过饱和苦味酸(Superpicral)。

  表2所示为研究所用的浸蚀溶液和方法。这些浸蚀技术可用来揭示退火(图1(a))、加工硬化(图1(b))、部分再结晶(图1(c)和(图1(d))、完全再结晶(图1(e)和(图1(f))试样中的原奥氏体晶界。由于电解浸蚀的结果要好得多,所以后来的显微组织分析采用的就是这种技术。

  本研究中所用的17-4 PH不锈钢的显微组织在马氏体基体中不含δ-铁素体纤维状夹杂物。这可能归因于铬和镍含量分别接近于最小(15

  2.3 制备流变曲线在去掉弹性部分后,为摩擦校正了各个流变曲线,然后,进行平滑处理,消除凸凹和起伏,如下所述。

  在热压缩试验中使用适当的润滑剂可显著地降低摩擦,但无法彻底消除摩擦。因此,为了形成摩擦校正的数据,应在原应力数据中考虑摩擦的影响。Ebrahimi和Najafizadeh根据上限理论提出了确定摩擦常数(m)用的鼓型压缩试验的简化理论分析。所需的表达式如下:

  式中,σ为校正过的真应力; P为压缩中向试样施加的外部压力(未校正的应力);b为鼓参数;m为摩擦常数;R和H分别为试验过程中试样的半径和高度(应变相关的变量);R0和H0分别为试样半径和高度的初始值;

  Hf是变形试样的高度;RM为变形试样中间高度的半径;Rf为变形后试样的平均半径。值R0、H0、Hf和RM是利用变形前后试样测量的,而值RT、Rf、b和m是利用公式(2)计算的。然后,根据公式(1)和R和H对应变的依赖关系,计算了值σ。表3所示为摩擦校正的计算结果。从该表可看出,通过降低变形温度和增加应变速率,摩擦变得越来越有效。

  在摩擦校正曲线中这一点更为明显,见图2(a)所示。这些数字还表明,在应变值较大时摩擦的影响更明显,特别是在峰值应力点后更是如此。人们习惯上根据流变曲线中的应力峰值来确定是否存在DRX。

  然而,并不是所有的材料都在热加工条件下进行试验时显示明确的峰值。Ryan和McQueen与Poliak和Jonas表明,从应变硬化率与应力曲线中的曲折变化可检测到DRX的开始。

  关于真应变的真应力的导数得出加工硬化率,θ(公式(3))。因此该技术要求对应力-应变曲线进行微分计算,然而流变曲线中的短程噪音无法显示这种微积分(如图2(b)所示)。

  为了解决这一问题,对流变应力数据进行了修正来消除试验曲线中的不规则和波动,使它们可进行微分计算。

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