奥氏体不锈钢晶粒细化对形变机制和力学性能的影响.pdf

第44卷第8期材料工程Vol.44No.82016年8月第29—33页JournalofMaterialsEngineeringAug.2016pp.29—33奥氏体不锈钢晶粒细化对形变机制和力学性能的影响EffectofGrainRefinementonDeformationMechanismandMechanicalPropertiesofAusteniticStainlessSteel万响亮〃，李光强2’3，周博文2，马江华1(1武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉430081;2省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉430081;3高性能钢铁材料及其应用湖北省协同创新中心，武汉430081)WANXiang-liang1，2，LIGuang-qiang2,3，ZHOUBo-wen2，MAJiang-hua1(1KeyLaboratoryforFerrousMetallurgyandResourcesUtilization(MinistryofEducation),WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China；2TheStateKeyLaboratoryofRefractoriesandMetallurgy,Wuhan430081,China；3HubeiCollaborativeInnovationCenterforAdvancedSteels,Wuhan430081?China)摘要：利用相逆转变原理采用冷变形使得亚稳奥氐体转变为形变马氐体，采用不同温度和时间退火分别获得纳米晶/超细晶和粗晶奥氐体不锈钢。通过拉伸实验得到不同晶粒尺寸的奥氐体不锈钢力学性能，采用透射电镜观察形变组织结构并利用扫描电镜观察断口特征。结果表明：高屈服强度纳米晶/超细晶奥氐体不锈钢通过形变孪晶获得优良塑性；而低屈服强度的粗晶奥氐体不锈钢发生形变诱导马氐体效应，得到良好的塑性；两组具有不同形变机制的奥氐体不锈钢拉伸断口均为韧性断裂。形变机制由形变孪晶转变为形变诱导马氐体归因于晶粒细化导致奥氐体稳定性大幅度提高。关键词：奥氐体不锈钢；晶粒细化;形变机制；力学性能；奥氐体稳定性doi：10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.005中图分类号：TG422.3文献标识码：A文章编号：1001-4381(2016)08-0029-05Abstract：Theconceptofphasereversioninvolvingcolddeformationofmetastableaustenitetogeneratestrain-inducedmartensite,followedbytemperature-timeannealingsequence,wasusedtoobtaingrainsizeofnanograined/ultrafine-grainedandcoarse-grainedausteniticstainlesssteels.Themechanicalpropertiesofausteniticstainlesssteelswithdifferentgrainsizeswereobtainedbytensiletesting,thedeformationmicrostructureandfracturesurfacewereanalyzedbyTEMandSEMobservations,respectively.Theresultsindicatethatdeformationtwinscontributetoexcellentductilityinhighyieldstrengthnanograined/ultrafine-grainedsteel,whileinthelowyieldstrengthcoarse-grainedsteel,thehighductilityisduetostrain-inducedmartensitetransformation.Interestingly,thetensilefractureofthetwoaustensitestainlesssteelswithdifferentdeformationmechanismisductilefracture.Thedeformationmechanismfromdeformationtwinstostrain-inducedmartensiteinthecoarse-grainedstructureinnanograined/ultrafine-grainedstructuresisowingtotheincreasedstabilityofaustenitewithgrainrefining.Keywords：austeniticstainlesssteel；grainrefinement；deformationmechanism；mechanicalproperty；austenitestability奥氏体不镑钢是一种性能十分优良的材料，具有行业[1]。结构件在使用时一般要受到拉、压、弯、扭、冲极好的低温性能、很强的抗腐蚀能力和较好的塑性，因击等各种载荷，常常会发生过量变形、尺寸改变或断裂此被广泛应用于低温技术、海洋工程、生物化工和其他等形式的失效。奥氏体不镑钢屈服强度很低，在结构30材料工程2016年8月件中的使用受到很大的限制。随着人类社会的高速发展，对奥氏体不镑钢屈服强度性能提出更高要求，这成为高强度奥氏体不镑钢发展动力之一[2]。在强化措施中，获得高强度的途径有很多种[3]。很多强化方法不能兼顾强度与塑性，往往是强度提高了，塑性却显著下降。而细化晶粒不仅能大幅度地提高强度，还能保持塑性基本不变或降低幅度很小。近年来，研究表明大压下冷变形结合退火工艺是一种细化奥氏体不镑钢晶粒的有效方法[47]。冷变形使奥氏体转变成应变马氏体，随后退火使马氏体回复再结晶得到纳米晶/超细晶奥氏体，这种方法已经在实验室内获得了极好屈服强度的纳米晶/超细晶奥氏体不镑钢。同时，这种高屈服强度的纳米晶/超细晶奥氏体不镑钢在形变过程中通过相变诱导塑性效应或者孪晶诱发塑性效应得到优良的塑性，表现出极好的性能优势[8]。奥氏体不镑钢形变机制对力学性能有着很重要的影响。本工作以奥氏体不镑钢为实验材料，采用相逆转变原理通过大压下冷变形结合退火工艺得到纳米晶/超细晶奥氏体不镑钢，与粗晶奥氏体不镑钢对比研究拉伸实验过程中组织结构演变和力学性能，分析形变机理与奥氏体稳定性的内在关联。1实验材料与方法实验用材料为普通Fe-17Cr-7Ni奥氏体不镑钢，各合金元素含量(质量分数/%)为：C0.017，Si0.52,Mn1.29，Cr17.3，Ni6.5，Mo0.15，N0.15，Fe为余量。通过理论公式[2]计算层错能为15.7mJ/m2。在实验室冷轧机上对钢板进行变形量为77%的冷变形，然后采用热模拟机对钢板进行退火处理，快速升温到700°C和1000°C，分别保温100s和ls，然后迅速冷却到室温，冷变形结合退火工艺获得纳米晶/超细晶(Nanograined/Ultrafine-Grained，NG/UFG)和粗晶(Coarse-Grained，CG)奥氏体不镑钢。用Nav〇400场发射扫描电镜（SEM)观察组织结构；使用万能试验机进行拉伸实验，拉伸速率为0.004sS应用Hitachi透射电镜（TEM)观察0.1应变量的试样组织微观结构；利用JEOL-6300FV扫描电镜进行拉伸断口形貌分析。2结果与分析2.1奥氏体晶粒尺寸分布奥氏体不镑钢冷轧退火处理后微观组织如图1所示。经过700°C退火处理后，马氏体完全逆转变为奥氏体，不同于冷变形过程中形成的板条状形态结构，奥氏体晶粒几乎是等轴形，如图1(a)所示。同时，由于退火温度较低，晶粒长大不明显，大部分晶粒非常细小。经过l〇〇〇°C处理后，晶粒已经粗化，组织基本为粗大奥氏体晶粒，如图1(b)所示。对两组试样的晶粒尺寸进行测量，发现7〇〇°C退火组织中大部分晶粒为纳米晶/超细晶，直径小于1的晶粒占94%，其平均晶粒尺寸为500nm;而1000°C退火后试样组织为粗晶奥氏体，平均晶粒尺寸约为22/^m。图1奥氏体不锈钢冷乳退火后微观组织（a)纳米晶/超细晶“b)粗晶Fig.1Microstructuresofphasereversionannealedausteniticstainlesssteel(a)NG/UFG;(b)CG2.2力学性能和应变行为图2为纳米晶/超细晶和粗晶奥氏体不镑钢拉伸实验的工程应力-工程应变曲线。纳米晶/超细晶奥氏体不镑钢拉伸曲线有明显的屈服平台，其屈服强度高达939MPa，抗拉强度和伸长率分别为1098MPa和38.8%，具有良好的强塑性匹配。而粗晶奥氏体不镑钢拉伸曲线中不存在屈服平台，拉伸应力随应变连续增大而增加，将产生应变〇.2%时的应力定义为屈服强度，约为410MPa，其抗拉强度和伸长率分别为905MPa和54.2%。由于晶粒细化效果，外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，应力集中较小，位错开始运动需要的应力较大；同时，晶粒越细小，晶界第44卷第8期奥氏体不锈钢晶粒细化对形变机制和力学性能的影响31面积就越大，位错运动时阻碍就越多，屈服强度越高[8]。晶粒由粗晶细化到纳米晶/超细晶时能使奥氏体不镑钢屈服强度提高2.3倍。0.00.10.20.30.40.50.6Engineeringstrain图2奥氏体不锈钢工程应力-I:程应变曲线Fig.ZEngineeringstress-engineeringstraxEcurvesforausteniticstainlesssteel塑性形变过程中组织结构演变对材料性能起着决定性的作用。奥氏体不镑钢在外应力作用下亚稳奥氏体会发生TRIP效应或者TWIP效应，得到良好的抗拉强度和高塑性。采用透射电镜对形变量为〇.1的纳米晶/超细晶及粗晶奥氏体不镑钢组织结构分别进行观察，如图3所示6图3U-1)为纳米晶/超细晶奥氏体不镑钢微观组织形貌，发现奥氏体晶粒中包含大量层错，细小针形组织在层错上形成，图3(a-2)的衍射花样证明组织为FCC结构，确认细小针形组织为形变孪晶。同时，孪晶之间存在相互碰撞和交错的现象（图3(a-l)中黑色箭头所示）。而粗晶奥氏体不镑钢中，粗大晶粒中发现少量板条状组织，通过衍射花样鉴定为形变马氏体（图3(b-l)，（b-2)所示:)。另外，试样中存在大量的位错团。TEM结果表明，纳米晶/超细晶奥氏体不镑钢形变过程中发生TWIP效应s当塑性变形时，切应力作用下大量位错沿滑移面运动，遇到了障碍被钉扎造成塞积和缠结。随着应力的不断增大，位错很难再滑移，晶体就进行孪生变形，使得组织中出现孪晶。孪晶的形成改变了晶体的位向并进一步激发滑移，使材料表现出较好的塑性[1«!同时，形变孪晶有效分割奥氏体晶粒，起到了亚晶界的作用，有效阻碍了位错的滑移，产生了应变硬化效果，使材料具有高的抗拉强度[11:]3而粗晶奥氏体不镑钢形变时产生形变马氏体。当奥氏体受到外力发生塑性变形时，位错密度升高且位错相互交截的情况增加，使得滑移阻力明显增加。在应力集中区域奥氏体会发生应变形成马氏体，该区域强度提高，而将应力集中转移给周围软的奥氏体，这种变化延迟了这个区域的进一步变形，因而使得均勻伸长率升高，提高了材料塑性；奥氏体向马氏体转变后，材料强度主要由马氏体决定，具有很高的抗拉强度[1|]3因此，两组试样都具有良好的抗拉强度和高的塑性。图3奥氏体不锈钢在应变0.1时TEM图（1)和衍射花样（2)_a)_纳米晶/超细晶；（b)粗矗Fig.3TEMmicr〇grapli®(l)anddiffractionpattcrns(2)forausteniticstainlesssledwith0.1tensilestrain(a)NG/UFG：(b)CGoooooo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