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不同状态下2205双相不锈钢的热加工性能
发布者: 发布时间:2020/1/23 阅读:110

  通过对2205双相不锈钢在铸态、锻态下流变曲线与组织的分析,研究了组织对热加工性能,特别是流变行为、变形抗力及失效特征的影响,讨论了双相不锈钢热加工开裂的机理及其影响因素。结果表明:在相同的热变形条件下,锻态材料较铸态材料具有良好的热加工性能,流变曲线上呈现出的“稳态区”更明显,开裂情况也得到显著改善,但变形抗力有所增加。两相不同的变形机制及初始K-S取向关系、硬且粗大带尖角的奥氏体的不均匀分布是造成双相不锈钢热加工开裂的重要因素。

 

  双相不锈钢具有奥氏体和铁素体两相组织,使其兼有奥氏体的优良韧性、焊接性和铁素体的较高强度、良好的耐氯化物应力腐蚀性能,是一种真正意义上的高性能结构材料,目前正越来越多地用于化学、石化、造纸和石油等工业。双相不锈钢在热加工过程中,产品易存在严重的边部和表面热裂缺陷,造成成材率低、工艺成本昂贵;双相不锈钢传统的热加工工艺多采用锻造开坯,以保证其热塑性良好,降低热加工难度。然而锻态双相不锈钢改善热加工性能的机理研究仍不十分深入。本文针对2205双相不锈钢,通过不同状态下的组织性能的分析对比,研究双相不锈钢热加工开裂机理及其影响因素,以期为提供改善双相不锈钢热加工性能的方法提供帮助,推进该钢种的生产及应用。

 

一、实验材料及方法

1.实验材料

  实验材料为2205双相不锈钢连铸坯,取部分铸态试样后,改锻成Ф12mm的毛坯,锻后毛坯经1050℃加热保温30min固溶处理。

2. 实验方法

2.1 热模拟实验

  利用Gleeble-3800热模拟实验机分别对铸态和锻态的实验钢进行热压缩实验,试样尺寸均为8mm×15mm的圆柱形试样。试样以10℃/s的加热速度加热到1250℃,保温60s,然后以3℃/s的冷却速度冷却到不同变形温度后保温90s以均匀组织,然后进行变形。变形温度分别为950、1000、1050、1100、1150、1200、1250℃,变形速率为10s-1,最大真应变为1.0,变形后立刻水淬以保持高温组织。通过对应力-应变曲线和试样开裂情况等对比分析来研究铸、锻态材料的组织和性能的差异。

2.2 组织分析

  利用金相、扫描等手段对热变形前后,不同状态下的显微组织及热裂断口形貌进行分析,以研究组织形貌与热加工性能之间的关系,探索实验钢的热加工开裂机理,分析影响热裂的主要因素。显微组织侵蚀剂分别为30gKOH+50mlH2O(电压为2~4V,时间为10~20s)和王水溶液。热裂断口经无水乙醇清洗后在HitachiS-4200型扫描电镜进行断口观察。

 

二、实验结果与讨论

1. 流变曲线

  2205双相不锈钢在不同变形条件下压缩时的流变曲线如图1所示。由图1可见,在相同应变速率下,铸、锻态实验钢的流变曲线的形状大体形同,在变形的开始阶段,流变应力随着应变量的增加而迅速增加,发生加工硬化;当超过一定应变量后,流变应力逐渐减小,呈现出动态软化特征;而后软化趋于平缓,应力基本保持不变,出现稳态的平台。锻态材料较铸态材料表现出比较长且明显的“稳态平台”。合金产生稳态的塑性变形,这是由于材料在热变形过程中产生的加工硬化和由于铁素体动态回复和奥氏体动态再结晶引起的材料软化达到了相互的平衡而形成的。稳态区越长,表明材料在变形过程中的组织状态越稳定,各种变形机制相互间的作用也越协调,因此在该种状态下材料往往表现出良好的热塑性,热加工难度降低。图2为实验钢热压缩后的宏观形貌,铸态实验钢在950~1150℃变形后,试样均有热裂现象,较高温度(1200~1250℃)下才有所改善;而锻态材料在950~1250℃变形后没有发现热裂纹的存在,可见锻态材料的热加工性能明显优于铸态材料,与流变曲线上呈现的“稳态区”与热塑性关系基本一致。另外,锻态实验钢在热加工过程中的最大变形抗力较之铸态实验钢明显增加,如表所示。变形抗力增加之可能原因将通过以下的组织形貌对比观察进行分析讨论。

2. 显微组织分析

  图为铸态和锻态实验钢热变形前的初始组织,从该图看出2205双相不锈钢的铸态组织为较亮的不规则且粗大的树枝状奥氏体(γ)分布在较暗的铁素体(δ)基体上,与铸态组织相比,锻后奥氏体树枝晶发生破碎且逐渐球化,多呈规则圆整的“饼状”和“岛状”;两相尺寸均有所细化,分布更加均匀。铸态和锻态实验钢不同变形温度下的奥氏体相的体积分数及尺寸见表,结果表明,不同变形温度下锻态实验钢的奥氏体相体积分数略高,尺寸明显细化,因此,锻态实验钢的热变形抗力增加。

  实验钢不同变形温度下热压缩后的组织如图所示,经热压缩后,铸态实验钢的奥氏体相垂直于压缩方向被拉长,呈不同厚度的“脉状”,保持一定的平行关系,一些区域两相分布较初始组织均匀,相界较平直,在较低变形温度下,随着变形量的增加,裂纹在试样边部相界处萌生,由内而外裂纹逐渐由粗变细;锻态实验钢奥氏体相则呈较细小的“短棒状”,相界较圆滑,没有发现有裂纹存在。

3. 热裂纹形成机理及影响因素

   铸态2205双相不锈钢经热压缩变形后出现开裂现象,裂纹形貌见图。图中,裂纹多由试样边部向内沿相界或在铁素体相内逐渐延伸扩展,如图所示。这主要是由于铁素体和奥氏体本身的变形机制不同,造成变形不协调,使相界成为应力最集中的地方,进而形成裂纹,而且由于铁素体相较奥氏体相软,随着应变的逐渐增加,铁素体沿相界的滑动受到奥氏体的阻挡,当应变增加到一定程度,铁素体则会被奥氏体撕裂,并使裂纹在铁素体相内扩展。

  通过微观组织观察可知,铸态组织不均匀,缺陷较多,相界平直,奥氏体相多存有尖角,尖角和缺陷处随着应变的增加,不易随基体一起发生塑变,使得变形不协调,易产生应力集中,进而造成热裂纹形成,如图中裂纹两边的两相成分的能谱结果表明,带尖角相中Cr、Mo元素的质量分数明显低于另一相,而Cr、Mo元素是铁素体形成元素,可见带尖角相多为奥氏体相。能谱结果还发现两相成分均有O元素,这可能是由于热加工过程中裂纹表面部分发生氧化所致。锻态材料组织均匀且热锻消除了一定的组织缺陷,奥氏体相多呈圆滑的球状,不易出现应力集中,于是避免了裂纹的形成,这也是锻态材料热加工不易开裂的原因之一。

  另外,由于铸态组织粗大柱状晶之间的位相差小,不具有与普通大角晶界相同的形核能力的缘故,使得动态再结晶较难发生,从而影响材料的塑性。在双相不锈钢凝固中,奥氏体逐渐从铁素体中析出,使得两相保持K-S晶体取向限制,热裂纹的形成则可以解释成释放该限制的一种方式。而锻态材料经一定的热变形后会发生一定的再结晶行为,再结晶的出现则完全破坏了这种两相之间的取向限制,从而避免或减轻了热裂纹的形成。综上所述,不同状态下,双相不锈钢的热加工性能存有差异,利用锻造开坯可改善其热加工性能,避免裂纹缺陷。热裂纹的产生与双相不锈钢两相间的不同变形机制、相尺寸大小、较硬的带尖角的奥氏体形态及分布等一系列因素有关,通过对双相不锈钢热加工开裂机理及影响因素的分析研究,为采取具有针对性的避免热裂纹的措施提供理论指导。


  铸态双相不锈钢在950~1150℃范围内进行热加工均出现热裂,通过提高变形温度或利用锻造可避免热裂纹的出现。两相均匀分布和细化使锻态双相不锈钢明显增加了流变曲线上的“稳态区”,具有良好的热塑性。锻态双相不锈钢两相组织的细化以及略高的奥氏体体积分数使其变形抗力较铸态材料有所增加。铸态双相不锈钢的热裂纹多沿相界和在铁素体相内扩展,两相不同的变形机制和初始的K-S取向关系、硬且粗大带尖角的奥氏体的不均匀分布是热裂纹形成的主要因素。

 

 
 

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