冷轧301L奥氏体不锈钢的变形和应变硬化行为

1、2013/2014年度第一学期文献检索及计算机在材料科学中的应用（期末大作业）姓 名：刘阳学 号：10430117专 业：金属材料工程文献出处：金属学报, 2008, 44,775-780 2013年12月14日 *收到初稿日期：2007-10-15，收到修改日期：2008-01-08作者简介：刘伟，女，1963年生，副教授 冷轧301L奥氏体不锈钢的变形和应变硬化行为刘伟 李强 焦德志(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044)郑毅 李国平(钢铁研究总院，北京100044) (山西太钢不锈钢股份有限公司，太原030000)摘要 研究了SUS301L和CN301L奥氏体不锈钢HT(

2、high tensile，4/4H)和DLT(deadline tensile，1/4H)两个硬化等级冷轧板材的变形和应变硬化行为及其应变诱发á马氏体转变所有30lL冷轧板拉伸试样近断口处都发生了85以上的马氏体相变，轧制变形量增加，室温拉伸应变诱发马氏体转变开始的应变减小，但未增加马氏体转变饱和值CN301L中C和N的含量高于相同硬化等级的SUS301L，导致它们变形和硬化行为不同C和N的含量较高，对相和á相的固溶强化效果增强，冷轧奥氏体不锈钢无需发生大量马氏体转变就能达到要求的高屈服强度，保证冷轧板材具有较好的塑性和一定的成型能力；此外，形成的应变诱发马氏体中，C和N的

3、固溶度大，硬化效果增强，流变应力上升快，抗拉强度高；C和N含量较高，还增加奥氏体的稳定性，将拉伸过程中应变诱发马氏体转变推迟到较高应变发生，延长应变硬化行为的第二阶段，增强相变增塑效应关键词 30lL冷轧板，C，N，应变硬化，马氏体转变，相变增塑DEFORMATION AND STRAIN HARDENING BEHAVIORS OF AUSTENITIC COLD ROLLED 301L STAINLESS STEELSLIU，Wei, LI，Qiang, JIAO，De-zhi(School of Mechanical, Electronic and Control Engineering

4、，Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)ZHENG，Yi(China IronSteel research Institute Group，Beijing 100044)LI，Guo-ping(ShanXi Taigang Stainless Steel CoLtd，Taiyuan 030000)Correspondent: LIU Wei, associate professor, Tel (010)51683938, E-mail: weiliuManuscript received 2007-10-15，in revised form 2

5、008-01-08Abstract: Deformations and strain-hardening behaviors as well as strain induced martensitetransformation were investigated for two commercial c01d rolled stainless steels，SUS301L and CN301L,in both HT(high tensile,4/4H)and DLT(deadline tensile,1/4H)work hardening grade conditionsThe amount

6、of marteIl8ite induced by strain to failure at room temperature can reach over 85(volume fraction near fracture surface for the tested steels. The higher the cold rolled strain，the smaller the strain needed by martensite transformation onset，but it didnt increase the saturated amount of martensiteDi

7、fferent carbon and nitrogen contents lead to different deformations and strain-hardening behaviors in the same cold rolled hardened grade 301LsHigher carbon and nitrogen contents made cold rolled steels obtaining the required high yield strength but less á-martensite，and inhere better plasticit

8、y and pla8tic processing capabilityCold rolled 301L also got higher strainhardening rate and flow stress due to á-martensite with more carbon and nitrogená-martensite transformation was deferred to higher tensile 8train because of more carbon and nitrogen in austenite，which enhanced the tr

9、ansformation induced plasticity of 301L cold rolled steelsKeywords: 301L cold rolled steel，carbon and nitrogen，strain hardening，martensite transformation，transformation induced plasticity.奥氏体不锈钢代表着一个庞大的合金系和应用领域，它不但耐腐蚀、抗氧化，还具有很高的加工硬化率和相变增塑(TRIP：transformation induced plasticity)效应，是兼具多种性能优势的合金对低层错能非稳

10、态奥氏体不锈钢变形行为的研究至今仍然非常活跃，主要是因为变形过程中应力一应变行为的不确定性，有很多因素，诸如成分、温度、预应变或应变路径，晶粒尺寸、应变速率等均可以改变变形过程中马氏体的转变速率和转变量，从而改变应力一应变行为1-3，这方面的研究具有很重要的理论和应用价值奥氏体的稳定性和变形过程中的马氏体转变动力学是决定奥氏体不锈钢变形行为的两个最重要的因素301L奥氏体不锈钢冷轧系列板被广泛用于制造各种轻量车体，目前，我国的车辆专用冷轧奥氏体不锈钢板已经研制成功，并已投入使用，但相关的奥氏体不锈钢冷轧板材技术标准还处在创立阶段本文研究了SUS301L-HT和SUS301L-DIT (HT-h

11、igh tensile，4/4H；DIT-deadline tensile，1/4H4)两种强度等级的日本进口冷轧奥氏体不锈钢板和相同强度等级的国产301L冷轧板的变形和应变硬化行为及其应变诱发马氏体转变，为国产奥氏体不锈钢冷轧板材的生产、加工和相关技术标准的制定提供参考1实验材料及方法实验用SUS301L-HT和SUS301L-DLT冷轧板以及我国太钢不锈钢有限公司生产的相同强度等级的国产奥氏体不锈钢冷轧板(对应强度等级的试样编号分别为CN301L-HT和CN301L-DLT)的化学成分见表1根据Eichelman和Hull5的蝇，Angel6以及Nohara等7的MD30计算公式得出MS和

12、MD30温度列于表2，MD30是发生30塑性应变量导致50(体积分数)马氏体(á相)转变的温度根据Schramm和Reed8给出的层错能公式计算得出四种实验不锈钢板材在室温的层错能SF也列于表2，四种实验板材的层错能很接近Angel6和Nohara等人7两种计算方法得到的MD30温度不同，但四种实验板材MD30温度的相对排列顺序相同，两种SUS301L奥氏体的相对稳定性低于两种CN301L表1 实验板材的化学成分Table 1 Chemical compositions of the tested steels(mass fraction，)SteelSUS301L-HTCN301L

13、-HTSUS301L-DLTCN301L-DLTC0.0180.0240.0180.028Si0.470.370.530.41Mn1.241.261.681.12P0.0270.0260.0310.031S0.0020.0020.0020.005Ni7.507.177.227.53Cr17.7517.3117.0917.71N0.100.140.120.11表2 实验板材的MS、MD30和层错能SFTable 2 MS、MD30 and stacking fault energy, SF of the tested steelsItemMS，5MD30，6MD30，7SF，mJm-28SUS3

14、01L-DLT-13428259CN301L-DLT-172221310SUS301L-HT-143332510CN301L-HT-17320188按GB/T 2282002将钢板用线切割制成板材拉伸试样，拉伸实验在MTS材料实验机上进行，拉伸速度为2 mm/min(平均应变速率1.2×10-4 s-1)，拉伸方向平行板材轧制方向，用X射线衍射仪(CoK)和磁饱和仪进行物相定量分析图1是实验板材垂直轧制方向平面的XRD谱SUS301L-HT板材比CN301L-HT板材中的á相多，用磁饱和仪测得SUS301L-HT中的á相为13，CN301L-HT板材用磁饱和仪未能

15、测到á相，说明其中的á相很少CN301-DLT和SUS301L-DLT板材的XRD谱相同，均为单相奥氏体á相在剪切带交点形成4，见图2a所示，所有板材的XRD谱中未检测到相，但在CN301L-HT板材的组织观察中见到少量相，见图2b所示2实验结果与分析21 冷轧奥氏体不锈钢的变形行为图3是SUS301L-HT和CN301L-HT板的单轴拉伸真应力-真应变和应变硬化率-真应变曲线，图3a中的单个测试点为断裂点的真应力f和真应变ff=Pf/Af f=In(Ao/Af)其中，Pf为断裂载荷；f为断口截面积；Ao为原始截面积尽管图3中两种冷轧奥氏体不锈钢板的屈服强度相同，

16、但变形行为却完全不同CN301L-HT板有明显的应变时效行为，拉伸曲线有类似屈服的应力平台，但fcc合金并不像bcc合金有屈服现象，这是由于CN301L-HT板中含有较多的C、N元素，轧制后这些元素在位错附近偏聚，使位错重新开动难度增加，而位错一旦开动，滑移阻力减小、应力降低。CN301L-HT板在低应变量阶段应变硬化率低，真应力真应变曲线在SUS301L-HT板之下，相同应变量的流变应力相差50-100MPa.由于CN301L-HT板的奥氏体稳定性高（见表2），冷轧板材中的马氏体量少，拉伸变形的均匀延伸率比SUS301L-HT板高9%,均匀流变应力高40MPa. SUS301L-HT和CN3

17、01L-HT两种板材的断裂性能相差也较大，CN301L-HT板的断裂强度和断裂应变更高.可根据应变硬化率d /d与真应变的关系，将两种板材的应变硬化行为分成如图3b中所示的两个阶段，第一阶段两种板材的硬化率曲线相似，应变硬化率随应变量增加迅速降低；而两种板材的第二阶段硬化行为则完全不同，CN301L-HT是典型的奥氏体不锈钢的应变硬化行为，硬化率在塑性失稳之前有一个上升、下降过程，硬化率曲线呈抛物线形状，这样就推迟了应变硬化率曲线和应力曲线相交，推迟了缩颈；SUS301L-HT第二阶段的应变硬化是从较高硬化率开始的缓慢的单调下降过程，是和á两相协同变形的硬化行为.由于板材中的

18、5;相较多，相拉伸变形中发生的应变诱发马氏体转变只能减缓硬化率下降速度，并不能使d /d曲线上升，使得硬化率曲线与应力曲线在较低应变相交，发生塑性失稳. 需要特别指出的是CN301L-HT的应变硬化率曲线和应力曲线在低应变阶段相交，这是对应拉伸应力应变曲线中的平台阶段，是应变失效的反应，应变硬化率在降到最低点后，随着应变诱发马氏体开始转变而迅速上升，并没有出现塑性失稳或缩颈.SUS301L-DLT和CN301L-DLT的单轴拉伸真应力一真应变和应变硬化率一真应变曲线比较相似，如图4所示，CN301L-DLT板的应力曲线比SUS301L-DLT板略低，均匀延伸率比SUS301L-DLT板高8，均

19、匀流变应力高100 MPaCN301L-DLT板的奥氏体稳定性相对较高，变形过程中马氏体转变比SUS301L-DLT晚，应变硬化行为的第二阶段的应变量比SUS301L-DLT更大，CN301L-DLT板和SUS301L-DLT第二阶段的d /d最大值处应变分别为0.5和0.4，对于变形过程中有应变诱发马氏体转变的奥氏体不锈钢，d /d最大值出现越晚、越能推迟颈缩，其均匀延伸率也越大9，这也是TRIP相变增塑效应的本质图5是四种板材弹塑性阶段的应变硬化行为，由于SUS301L-HT和CN301L-HT组织中有，和á相，两相的剪切模量不同，d /d呈连续的弹塑性过渡；而只有单相奥氏体的S

20、US301L-DLT和CN301L-DLT板材表现为不连续的弹塑性转变过程22 奥氏体不锈钢变形与马氏体转变当á相超过80以后，用磁饱和仪测量的数值误差较大，本文只用XRD对拉伸试样断口附近轧制平面进行定量相分析图6a是SUS301L-HT和CN301L-HT拉伸试样的XRD谱，可见两种板材拉伸后的组织相似，组织构成均比较复杂，除了大量á相和剩余的相，还有少量相，用GB836287规定的计算残余奥氏体量的方法，定量计算图6a中SUS301LHT板和CN301L-HT板的á马氏体相对体积分数分别为88和85SUS301L-DLT的XRD谱与SUS301L-HT的相似

21、，根据衍射强度计算的á相的体积分数为86；图6b是CN301L-DLT拉伸试样的XRD谱，其中á相的体积分数超过90，剩余相非常少，而且未检测到相四种板材拉伸后的组织相似，如图7a所示，á相呈分散的连续或不连续条带状和不规则块状，基体为奥氏体图7b是在孪晶带中观察到的相和在相相交处形核、生长的块状á马氏体由于应变大，片部分已经转变成á-马氏体，边界不平整1023 讨论四种实验板材拉伸后组织中的á马氏体量都超过85(体积分数)，说明奥氏体不锈钢冷轧板在拉伸变形过程中发生了应变诱发马氏体转变研究证明，奥氏体不锈钢应变硬化率的上升源自于其中

22、的马氏体转变，而且马氏体转变速率越快、应变硬化率上升也越快，马氏体转变开始点略早于硬化率一应变曲线的最低转折点2,8,从图3和图4中看出，具有较高轧制变形量的SUS30lL-HT和CN301L-HT中的马氏体转变开始(约0.04真应变)早于低轧制变形量的SUS301L-DLT和CN30lL-DLT(约0.15真应变)，说明较大的轧制预变形可促进拉伸变形中应变诱发马氏体转变从对拉伸组织的定量相分析结果可以看出，四种冷轧板材拉伸后的马氏体转变量差异并不大，尤其是低轧制应变量的CN301L-DLT，尽管其应变诱发马氏体转变开始较迟，但由于其均匀延伸率大，最终的马氏体转变量最大根据Olson和Cohe

23、n11提出的奥氏体不锈钢应变诱发马氏体转变动力学模型，马氏体转变量可用如下方程描述：á=1-exp-1-exp-)n式中，参数描述剪切带的形成过程，与层错能有关；描述马氏体在剪切带交接处形核的可能性，与á相变驱动力有关模型描述的马氏体转变量与应变量关系曲线包括转变开始，转变速率和转变饱和值三个要素，á-马氏体转变开始和转变速率由和参数共同决定，饱和值则由决定冷轧奥氏体不锈钢的轧制应变量增加，奥氏体中剪切带的数量增加，拉伸变形中马氏体转变开始早，转变速率快；但是，剪切带数量增加并不改变á转变驱动力，不能增加室温拉伸马氏体转变的饱和值从表1中可以看出，国产板

24、的C和N含量高于同等硬化级别的进口板材，使得国产板的奥氏体稳定性增加，MS和MD30温度较高，均匀延伸率和抗拉强度高于进口板材通过对比国产和进口冷轧301L不锈钢HT和DLT硬化级别板材的拉伸变形和应变硬化行为，可以得出C和N含量较高有以下两方面的作用：一是对相和á相的固溶强化，N对提高相的屈服强度作用非常显著12，这使得冷轧奥氏体不锈钢无需发生大量马氏体转变就能达到要求的高屈服强度，从而保证冷轧板具有较好的塑性和一定的后续成型能力；此外，形成的应变诱发马氏体中C和N的固溶度大、硬化效果好，流变应力上升很快，抗拉强度高。C和N含量较高的另一个作用是增加奥氏体的稳定性，将变形过程中的马

25、氏体转变推迟到较高应变发生，延长应变硬化行为的第二阶段，推迟应变硬化率曲线与流变应力曲线相交，获得更高的均匀延伸率，增强相变增塑效应3结论(1)301L冷轧板拉伸试样近断口处形变诱导马氏体量均在85以上；轧制应变量增加，室温拉伸马氏体开始转变的应变减小，但未增加应变诱发马氏体饱和值(2)C和N含量不同时，板材的奥氏体稳定性及其变形和硬化行为不同(3)C和N的含量较高，对相和á相的固溶强化效果增强，N提高相屈服强度作用显著，冷轧奥氏体钢无需发生大量马氏体转变就可达到要求的高屈服强度，冷轧板具有较好的塑性和一定的后续成型能力形成的应变诱发马氏体中C和N的固溶度大、应变硬化效果好、流变应力上升快(4)C和N含量较高增加奥氏体的稳定性，将变形过程中的马氏体转变推迟到较大应变量发生，延长应变硬化行为的第二阶段，增