奥氏体不锈钢大多数要通过热轧、锻压等热加工工艺获得所需形状。此外,奥氏体不锈钢具有单相组织,很难通过相变进行强化,通过热加工细化晶粒成为其强化的有效途径,但是,其合金元素含量高,热成形时容易出现裂纹和粗晶。因此,研究者对其热变形行为进行了大量的研究。

热轧参数的影响

金属的热变形过程中,应变硬化和软化两种对抗过程是同时出现的。伴随加工硬化的出现,金属高温下会发生动态回复和动态再结晶软化过程。对于给定成分的奥氏体不锈钢,变形温度、变形量及变形速率、原始组织状态等各种因素影响着其热变形过程。

例如,葛东生等人研究了铸态304不锈钢应变速率为0.01S-10.1S-1,变形温度为900~1100℃,变形量为0.50.7条件下的热变形行为认为:变形速率为0.1时,变形温度和变形量提高均有利于动态再结晶的发生;同时,温度一定,变形率越低越有利于动态再结晶的发生,且形成的动态再结晶晶粒细小。刘益民等人研究了310S奥氏体耐热钢在应变速率为0.1S-11S-1、变形温度在9001150℃条件下热变形行为发现,随变形速率的升高,其发生完全动态再结晶的温度由1000℃升高到1100℃。Manshadi等人研究了热变形前304不锈钢原始晶粒尺寸对热变形行为的影响认为,晶粒尺寸由35μm细化到8μm,会影响流变曲线形状及相应的峰值应力和临界应力,软化由不连续动态再结晶转变为连续动态再结晶。Ebrahimi等人利用双曲本构方程分析了Fe-16Cr-25Ni奥氏体不锈钢在900-1200℃,变形速率在0.001S-1-1S-1的热变形行为发现,当Z-H值的对数下降时,动态再结晶被推迟,组织观察认为是由于杂质元素P在晶界的偏聚造成的。由此看出,对于给定化学成分的奥氏体不锈钢,研究其热变形过程应要综合考虑热变形参数及原始组织状态对其影响。

由于热变形工艺参数较多,为了更好地掌握它们之间的规律。从上世纪70年代开始,研究人员对钢的热塑性变形过程中的组织变化进行大量研究,在实验的基础上对动态回复、动态再结晶及晶粒长大过程进行定量的数学描述,并提出两个主要的模型:位错模型和唯象理论模型。例如,Sandstrom等人引入两个位错密度体积分布函数,通过计算计算临界形核能、晶界迁移速度和单位体积可动晶界面积,建立了再结晶体积分数变化率与位错密度体积分布函数的关系。然而,以位错理论为基础的再结晶模型虽然具有一定的理论基础,但位错密度实验上很难定量测量,因而使得该模型的应用性不强。目前,较为广泛应用的是唯象理论模型。该模型主要用JMAKAvrami方程描述再结晶动力学关系。在JMAK方程的基础上,国内外的研究者建立了不同的动态再结晶分数的数学模型,Sung-KimⅡ等人分别对AISI316棒材进行热轧实验,对AISI304进行热扭转实验得到了不同的动态再结晶模型。这些模型基本上都是以热加工参数的表达式为原型,它们的计算值与实测值都取得了较好的吻合。该类模型的数学表达式中的参数来自实验,计算精度较高且与实际热变形之间有定量的关系。

化学成分的影响

奥氏体不锈钢中除了CrNi等元素外,还添加了其他的合金元素,根据合金元素对微观组织的影响将添加的合金元素分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素。合金元素的添加会改变奥氏体不锈钢组织组成相、同时会促使合金中金属间化合物的析出,这些组织的变化会影响到奥氏体不锈钢、耐热钢的热加工性。

氮是强力的奥氏体形成元素,在以奥氏体为主的316L奥氏体不锈钢中发现,提高氮含量会提高其热塑性。在含有铁素体的奥氏体不锈钢中发现,随着氮含量的升高,其进行动态回复的速度变慢,导致热塑性降低,并且得出最佳的氮含量范围为250-450ppm。氮含量的升高会阻滞动态再结晶的发生,提高动态再结晶的温度。氮在奥氏体钢中的溶解范围大约是0.15-0.5wt%,当奥氏体钢中含量超出一定范围时,NCr2N的形式析出,这些析出一般呈不连续的网状,对奥氏体钢的热塑性是有害的。

Al是铁素体形成元素,奥氏体不锈钢添加一定量的Al元素会促使其基体组织由单相奥氏体转变为奥氏体+铁素体双相组织,一般认为铁素体层错能较高,扩展位错较窄,且自扩散激活能较低,原子易扩散。因此,热变形时其主要软化机制是动态回复。与此相反,奥氏体不锈钢层错能较低,扩展位错较宽,在热变形过程中位错不易攀移和交滑移,其主要软化机制以动态再结晶为主

但近年来部分学者研究发现,具有奥氏体/铁素体双相组织的钢在热变形过程中,铁素体可能会发生连续动态再结晶。GourdetMontheillet等人通过实验表征及理论模型的建立认为,这种高层错能组织中连续动态再结晶晶粒的形成,不是通过不连续动态再结晶过程新晶粒的形核、长大获得的。而是变形初期阶段动态回复产生的小角度亚晶界通过应变的进行位错不断被吸收,而逐渐转变为大角度晶界,导致新的等轴晶形成。

另外,宋志刚研究了00Cr21Ni2Mn5N00Cr25Ni7Mo4N00Cr25Ni7Mo4N三种不同成分双相钢的高温变形行为认为,三种钢中奥氏体相主要软化机制为动态回复。Farnoush等人研究了2005双相钢的热变形本构方程Z-H参数中Z值、P=1.4Z-0.08R=0.76Z0.005的协同关系认为,Z值较低时,合金的主要软化机制是铁素体相的动态回复。然而,Z值较高时,合金的主要软化机制是奥氏体相的动态再结晶,并且能够形成较细的再结晶晶粒。Manshadi等人研究发现,发现2205双相不锈钢中奥氏体与铁素体具有相同的软化机制连续动态再结晶和非连续动态再结晶。王月香等人认为,2205双相不锈钢主要的软化机制为铁素体的连续动态再结晶和奥氏体与铁素体之间的相转变,随热变形条件的改变,主导软化机制不同。变形速率较低时,铁素体的连续动态再结晶和铁素体向奥氏体的相转变为主导机制。变形速率较低时,铁素体的连续动态再结晶和奥氏体向铁素体的相转变为主导机制。