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HR3C奧氏體耐熱鋼的高溫變形行為

來源:至德鋼業 日期:2020-03-27 20:18:36 人氣:168

  浙江至德鋼業有限公司通過Gleeble1500D熱力模擬實驗機對HR3C奧氏體耐熱鋼進行單道次壓縮試驗,研究其高溫變形行為。熱變形溫度為950~1250℃,應變速率范圍0.001~1.0s-1。結果表明,HR3C的流變應力隨變形速率的降低和變形溫度的升高而降低。變形溫度越高,動態再結晶越容易發生;動態再結晶晶粒尺寸隨溫度的升高而增大,隨變形速率的增大而減小。通過計算和回歸分析得出HR3C鋼的熱激活能(558kJ/mol)和熱變形本構方程;峰值應力與Z參數呈線性關系。


   大容量、高參數的超超臨界發電機組可以提高發電效率,減少煤炭消耗和發電成本。為滿足服役條件對材料性能的苛刻要求,目前世界各國都在積極開展新型耐熱鋼的研究與開發。超級奧氏體耐熱鋼作為一種先進的耐熱材料,具有高蠕變強度、良好的組織穩定性、優良的耐蝕性和抗氧化性能,成為該領域重點研究的材料。對于金屬材料,熱變形是一種重要的研究材料加工性能的方法。在熱變形過程中,微觀組織的變化對優化產品的最終力學性能有非常重要的意義,而本構方程可以預測鍛造力和軋制力。近年來,許多科研人員對金屬材料的熱變形行為和再結晶行為進行了研究,關于奧氏體耐熱鋼的研究則主要集中在316L、316LN、304、304H等常見鋼種,對高鉻、高鎳的超級奧氏體耐熱鋼高溫變形行為研究較少。HR3C超級奧氏體耐熱鋼合金元素含量高,變形抗力大,在一定程度上抑制動態再結晶的發生,使得實際生產過程中熱加工性能下降,軋制過程中存在嚴重開裂,成材率低。為優化工藝參數,避免軋制缺陷,本文通過高溫熱壓縮實驗,對HR3C的高溫變形行為和微觀組織變化進行研究,分析變形溫度和應變速率對組織演變的影響并得出熱激活能和本構方程。


一、試驗材料及方法


   試驗材料選用HR3C奧氏體耐熱鋼,該鋼的化學成分如表所示。材料加工成8mm×12mm的圓柱體試樣。單道次熱壓縮試驗在Gleeble1500D型熱力模擬試驗機上進行,變形速率為0.001~1.0s-1,變形溫度為950~1250℃。熱變形工藝為:將試樣以5℃/s的加熱速率加熱到1200℃,保溫120s,然后以20℃/s速率降溫至變形溫度并保溫90s,在此溫度下再以相應的應變速率壓縮變形,變形量為60%。壓縮變形結束后,立即噴水冷卻以保留高溫變形組織。將試樣沿軸向切開,經磨制拋光后,選用王水(HNO3∶HCl=1∶3)腐蝕,在MDS光學顯微鏡下觀察變形后的顯微組織。


   應變速率為1.0s-1時,950℃時曲線屬于動態回復類型,更高溫度下,隨應變的增加,變形抗力達到峰值后下降,呈現出動態再結晶特征,但是峰值應力不明顯。應變速率為0.01s-1時,除了950℃,其余溫度下曲線均為典型的完全動態再結晶特征,曲線出現穩態應力。當應變速率降到0.001s-1時,所有試驗溫度下曲線均呈現完全動態再結晶類型。此外,流變曲線呈現出鋸齒狀波動的特征,尤其是高應變速率下曲線波動明顯,應變速率降低,波動性逐漸降低。這是因為HR3C鋼中,含有大量碳化物形成元素Cr、Mn、Nb,在高溫變形過程中易析出碳化物。圖2中可以看到,高溫變形過程中晶界有析出相形成,能譜分析表明晶界處的析出相是一種復雜的碳化物。碳化物對晶界和位錯起到釘扎作用,阻礙位錯和晶界的運動,從而阻礙動態再結晶的發生。因此,部分應力的增加是為了克服這種釘扎作用,之后發生動態再結晶,應力下降。析出物的釘扎作用和動態再結晶之間的交互作用重復發生,導致應力曲線的波動。


二、試驗結果及分析


  1. 應力應變曲線


    圖是HR3C奧氏體耐熱鋼在不同應變速率下的流變曲線??梢钥闯?,HR3C流變應力總體特征是:大部分變形條件下,流變應力隨應變的增加迅速增大,達到峰值后逐漸降低。隨應變速率的降低和變形溫度的升高,HR3C的變形抗力逐漸減小,峰值應力也逐漸減小。同一應變速率下,溫度升高,動態再結晶速率增大,動態軟化程度增大,變形抗力逐漸降低;同一溫度下,應變速率升高,加工硬化率變大,變形時間縮短,動態軟化程度降低,變形抗力增大。


  2. HR3C奧氏體耐熱鋼的熱變形方程


   金屬高溫變形過程中,流變抗力與變形溫度和應變速率之間的關系可以用Arrhenius雙曲正弦函數描述。

金屬的熱變形激活能大小反應材料在熱變形過程原子重新排列的難易程度,除受變形參數(溫度、應變速率、變形量)的影響,還與材料的合金成分有關。過去對奧氏體耐熱鋼激活能影響因素的研究認為,除碳元素之外的其他元素均能使激活能提高,并且合金成分含量越高,其熱激活能越大;研究發現合金成分Cr、Mn和Mo對提高熱激活能的作用比較強,表3列出了幾種奧氏體耐熱鋼的動態再結晶激活能。HR3C奧氏體耐熱鋼中合金成分含量為47%且Cr含量高達25.2%,Mn含量1%,使得HR3C激活能較大。HR3C鋼在熱變形過程中發生動態析出,消耗了部分應變能;生成的析出相起到釘扎位錯的作用,這種釘扎作用通過阻礙位錯和晶界的運動而阻礙動態再結晶的發生,提高了動態再結晶激活能。


  3. 不同變形條件下的組織


   圖為HR3C奧氏體耐熱鋼未變形組織和應變速率為1s-1、不同變形溫度下的顯微組織。圖可見變形前組織為均勻的奧氏體相和一些孿晶,奧氏體晶粒尺寸約為110μm。試樣在950℃變形后,奧氏體晶粒沿變形方向拉長,呈條狀,部分晶界呈鋸齒狀或膨脹突出,在晶界處有析出相形成,再結晶晶粒在大角度晶界處形核,使晶界形態發生變化,在析出相周圍形成了細小的動態再結晶晶粒,形成了第一層項鏈組織。圖中,1050℃下,少數晶粒未發生動態再結晶,這表明組織是不均勻的。這種組織的不均勻性使得晶粒內部有大的應變梯度,局部具有高位錯密度,利于動態再結晶的形核。溫度升高至1150℃時,已發生完全動態再結晶,再結晶晶粒平均尺寸約為8μm。隨著溫度的升高,1250℃時,再結晶晶粒已經長大至40μm左右。結果表明,HR3C鋼在同樣的應變和應變速率下,變形溫度越高,動態再結晶越易發生,再結晶晶粒尺寸越大,這是因為動態再結晶是熱激活過程,溫度提高,原子振動加劇,結合力減弱,且原子和位錯運動的驅動力增大,易于動態再結晶的發生和晶粒的長大。圖是HR3C奧氏體耐熱鋼在1150℃同應變量不同應變速率變形后的組織。應變速率0.1s-1時,再結晶晶粒尺寸為15μm,比0.001s-1晶粒小很多,但比1s-1晶粒大。顯然,在同樣的變形溫度和變形量下,如果HR3C發生動態再結晶,應變率越高,再結晶晶粒越細。這是因為高的應變速率使位錯和結構缺陷密度增大,為動態再結晶的發生提供了更多的形核位置,形核率增大,且高應變速率下,熱變形時間較短,再結晶晶粒沒有充分時間長大。


三、結論


   HR3C奧氏體耐熱鋼在950~1250℃、0.001~1.0s-1變形條件下真應力-真應變曲線呈典型的動態再結晶特征。流變應力隨變形溫度的升高和應變速率的降低而減小。變形溫度越高,動態再結晶越容易發生;應變速率越高,再結晶組織越均勻細小。溫度范圍950~1250℃,應變速率范圍0.001~1.0s-1內,HR3C奧氏體耐熱鋼的平均熱激活能為558kJ/mol;


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本文標簽:耐熱鋼 

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