双相不锈钢超塑性变形机理

1、第27卷第1期2005年2月Vol.27 NoFeb. 2005北京科技大学学报Journal of University of Science and Technology Beijing双相不锈钢超塑性变形机理张沛学“任学平“谢建新”张炳哲薜韩文殿即宋杰引京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 2）济谢股份冇限公司技术中心，济南2501013）济例股份冇限公可生产部，济南250101摘要从材料的晶休结构出发，研究了双和不锈钢超教性变形的机理.利用背散射电子衍 射花样分析系统（BBSD）,获得了双相不锈钢变形过种中的ODF图、极图和取向与转轴分布 等胡体取向分布规律.结介透射电懺対微

2、观组织的观蔡給果进行了综介分析.研究衣明，双III 不锈钢超和性变形的机理为形变诱导析出和动态再结品、晶界滑移以及变形中的晶粒转动. 关键词 超塑性；织构；相变；取向分类号 TG 113.253第27卷第1期2005年2月Vol.27 NoFeb. 2005第27卷第1期2005年2月Vol.27 NoFeb. 2005在20世纪40年代，Hi苏联学者bouBap采用 溶解沉积理论解释超犁tt.变形的大延伸变形机 理，后乂有人用动态再结品和亚稳态理论來解释 了超塑性变形特征叫70年代人们才认识到超塑 性变形主耍是晶界行为，对超塑性机理的认识发 生了很大的变化，出现了许多描述晶界运动过程 的模型

3、叫按照现代观点，晶界滑移为晶界位错滑 移和攀移的结果，位错攀移与扩散密切相关，是 速控过程.而胡界位错运动速度和扩散I j晶界结 构密切和关.允到现任，冇关双相不锈钢的超瞰 性变形机理的研究很少，结论也不相同.本文在对双相不锈钢微观组织变化进行系 统分析的皋础上,试图再通过背散射电f衍射 花样分析系统（EBSD）,从晶体取向和织构的角 度，分析超瞰性变形不同阶段的晶体取向的变化 规律，进而更全面地透视双相不锈钢趙刑性的变 形机理.1实验过程实验用双和不锈钢材料为实验室I制的 OOCmNiMeWiiCuN,其化学成分如表1所示.经 电炉冶炼拆电渣重熔（ESR）,铸锭后锻造成截仰 为16 mmx5

4、0 mm的丸形坯，经1250 *C保温30 min 的固溶处理后，再表面淸理,直接冷轧到厚度为 收稿日期：2003-09-05修改日期；2004-04-10基金项目：北京ilJ科委曬金衣助項H （No. 9550310900） 作者简介：张沛学（1966->,男.博上研究生2mm,冷轧变形fit 87%.恒温热拉伸的试样沿着轧制方向加，标距 的长、宽和M弧倒角分别为10. 6. 2.5 mm .恒温热 拉伸实验是在装仃特种加热炉的材料实验机上 进行的.试件在加热炉中以2C/S的加热速度加 热到变形温度看,保温3 min,然后分别以不同的 血变速率进行* i温热拉伸实验.对预先设定的超 犁

5、性变形不同阶段的试件进彳J' EBSD取样,EBSD 试样的制备采用能消除表面应力的电解抛光和 电解侵蚀.表1实验用双相不锈钢的化学成分（质呈分数）able 1 Chemical composition of the steel%CSiMnPSCr0.0210.470.830.0230.00224.16NiMoWuCuNFe7.212.870.340.4807余虽2实验结果在对试件进行EBSD分析时，已知衍射图上 三条不平行菊池带的夹角或菊池轴间距、衍射图 中心距衍射源（试样表Ifll）的距离，便可以确定晶 带（轴）的指数，并根据菊池带相对于外界坐标系 的方向算出晶粒的取向图1是双相不

6、锈钢任超 犁性变形开始阶段的菊池线.女相不锈钢超塑性变形不同阶段的胡体取 向有如图2所示的结果.在超塑性变形开始|jij,Vol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 69 0 12(町超犁性变形开始前0 100 040 020 080 0601020304050600图1双相不锈钢超塑性变形指定点的菊池线Fig.l Kikuclii patterns during superplastic derorniation of the duplex stainless steel如图2 (a)所示，各晶粒的取向差主要为低于10。 的小角度晶界；在超塑性变形进行到100%后，如 图2(b

7、)所示，备晶粒的取向差冇増大的趋势，开 始向大角度晶界转变.而当超犁性变形就远大于 100%以后，即在超型性变形的后期，已和超塑性 变形开始时的晶体取向明显不同,晶粒Z间的取 向差几乎全部是大角度晶界,取向差平均增大到 40。的髙水平，实验结果如图2(c)所示.通过对双相不锈钢超舉性变形不同阶段的 晶体取向变化的反极图分析，可以看出，在轧向 上，尽管试样的变形虽:和签很人，但与变形询的 tft况相比其取向密度变化均不大；但在法向上, 比较趙瞰性变形不同阶段的反极图可以看出，在 超塑性变形过程中织构发生了由强到弱的变化. 实验结果如图3所示.0 06(b)超型性变形进行至100%0 0310.0

8、50 040.02OOP00102030405060晶休取向差/(°)图2双相不锈钢超塑性变形不同阶段的晶体取向差. 变形温度为96(FC，应变速率为2x10-s-Fig.2 Orientation during superplastic deformation. Do rormation temperature. 960 C； strain rate« 2x10 * s_,Vol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 # Vol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 # 0010-变形开始c mVw独Ta“ MI:HtLIrgam 伽 iM变形开始

9、Vfwl* 亠*JL0t> "-rr刀任卸we* in3CU) poKr10-伯2变形100%101变形后期wWimlrvMI JC.wVol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 # 图3超塑性变形的不同阶段的轧向(RD)和法向(ND)的反极图变形温度为960C,应变速率为2xl0"sFig.3 Inverse pole figures in RD and ND during superplastic deformation. Deformation temperature, 960*C； strain rate, 2x101Vol.27 No.l张沛学

10、等：双相不锈钢超塑性变形机理 71 3讨论与分析在超叙性变形不同阶段，形变诱导Y相析出 和&相动态再结晶细化了&和Y组织"，足获得适 宜于超須性变形组织的帝要途径.根据双相不锈钢超槊性变形不同阶段的晶 体取向的实验结果可知:超塑性变形开始时,由 于晶界结构以小角度晶界为主，晶界?；移难以产 生，致使超鞏性变形所需的变形能升高，表现为 拉伸时流变应力不断増大；在超蜩性变形过程中 晶粒取向差逐渐増加，而当超犁性变形进行到一 定程度后，晶体取向已经发生了明显的变化,出 现以大角度晶界为主的晶界结构，如图2所示. 这种錯构明显有利于晶界的滑移叫为超塑性变 形过稈的继续进行提供

11、了条件.此时表现为双相 不锈钢趙型性变形的流变应力不断减小，并能长 时间维持在较低的流变应力水平.这种晶体取向 的变化可以归结为：导入晶内的位错在晶界进行 吸收-再配置,从而増加了晶界倾角.研究表明， 在变形初期延伸率低于100%的过程中，晶间的 方位基随看变形的増加而增加，XZ相不锈钢细小 双相组织中，母相铁素体的再结晶使晶内位错向 二次晶粒晶界间吸收-再配置的几率増大叫这明 显不同于单相合金在动态再结晶条件下变形时 的悄形.单相合金屮并没何二次阳粒间的方位差 随变形而增加的现彖,W为在各1次晶粒之间同 一滑移系在活动，只是频繁产生止负位错的介并 消灭.町见在双相不锈钢超犁性变形过程中，大角

12、 度晶界的U著增加为晶界滑移创造了条件，表明 晶界滑移是双相不锈钢超犁性变形的主要机理.从图3所示种变形程度下轧向和法向的反 极图可以看出：在轧向上，尽管试样的变形量相 差很大，但与变形liij的悄况相比其取向密度变化 均不大，结合前面的分析,说明在轧向上基本观 察不到织构的变化叫但在法向上，比较双相不锈 钢超和性变形不同阶段的反极图，可以看出在超 犁n变形过程中织构发生了由强到弱的变化这 是由于铁素体晶粒在滑动过程中因各个方向上 受力不平衡而引发晶粒转动，瑕可能的转动是沿 横向坐标轴发生的0型转动，从而使取向密度逐 渐降低而发生织构漫散现象.可见，晶粒转动也 是双相不锈钢超犁性变形的机理之一

13、.它/t”乂相 不锈钢超塑性变形的厉期作用更人，I対为超删性 变形的后期未发现明显的位错运动.晶界滑移和晶粒转动在女相不锈钢超斓性 变形过程中起到了主要作用然而，双相不锈钢 超塑性变形询期的晶内位错运动也不容忽视.由文献35可以发现：在収相不锈钢超塑性 变形开始到进行至100%的过程中（特别是双相 不锈钢低温超衆性变形时）都可以发现位错的运 动.在这个过程中发现铁素体晶内存在大戢的位 错墙和亚晶界.位错墙常常还与一些滑动位错发 生交互作川，仃些交互作川促便位错墙中位错产 生交滑移而改变滑移面位错的交互作用和增 殖，还会促使亚晶界的形成和发展，亚晶界使两 边晶体产生小角度位向差，最终形成亚晶粒.

14、在双相组织中还可以发现亚晶粒的内部仍 有一些位错，这些位错实际上是亚晶粒形成后或 形成过程屮生成的，在亚晶界的网围可见位错廉 积和止在聚积的位错网，如图4所示.由此说明 在从郴不锈钢超犁性变形的询期，品内位错运动Vol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 # Vol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 # 图4低温超塑性变形时的位错固溶处理温度1250匸，变形温度为850C,变形§ 100% ,应变速率为2.5x10-s «Eig.4 Crystal log) during supcrplastic deformation in lower te

15、mperaturesVol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 73 IF常活跃，这种位错运动也捉供了 种应变协调 机制，对于超犁性变形的贞献足不容忽视的.尽 管在变形刚开始的初期，丫相被拉长而麻逐渐破 碎成小块,此时在M A界的位错密度很低；但随着 超塑性变形逐渐延续至100%的这-过程中，在 相界及一些聚积的三叉结点处形成了大量的位 错痹积，造成较大的应力集中，引发&相内的冇哼 位错源开动，促成6/丫相之间的变形传递过程.此 时，晶界滑移的变形机制中显示出位错滑移发挥 的巫要作川，但不能忽略位错塞移运动对超塑性 变形的重耍贡献.可见，晶内位错运动为双相不 锈钢前期超犁

16、性变形提供了一定的变形戢.在双相不锈钢后期的超衆性变形过程中,6巾 相晶内和晶界都没仃发现明罷的位错运动综上所述，在叔相不锈钢超塑性变形过程 中，晶界滑移任超犁性变形询期阶毁起到了主要 作用；晶粒转动也是双相不锈钢超塑性变形的机 理Z ，它在双相不锈钢超犁性变形的G期作用 更人；帖内位错运动为以和不诱钢询期超塑性变 形提供了一定的变形量.4结论(D4超刻性变形不同阶段，形变诱导丫相析 出和§相动态再结晶细化了&和Y组织,是获得适 宜于超犁性变形组织的币:要途径.(2) &休取向丧明，晶界滑移以及变形中的品 粒转动足双相不锈钢主要的超犁性变形机理.(3) 晶内位错运动为

17、双相不锈钢询期超犁性 变形提供了一定的变形量.(4) 双相不锈钢超塑性变形的机理为.形变诱 导丫相析出和6相动态再结晶、晶界滑移以及超犁 性变形过程中的晶粒转动.参考文献1 仁依勃舍夫(俄)金鹿塾性和超型性.王熬文译.北京:机 械工业出版社，19822 陈浦泉.崔忠斬，赵壇.趙型性研丸的进展、方向及变形 机理.金属科学与工艺,1990, 9(2): 163 Zhang P X. Ren X P. Xie J X. Superplastic deformation of commercial 00CrZ2Ni,Mo.N(1|7 duplex stainless steel. J Univ Sci

18、- Tedinol Beijing. 2003. 10(2): 494 张汕学任学平谢建寻.00CrnNi,Mo,N从相不锈钢的 低温趙駛性研究.塑性工程学报.2003,10(2):51 张沛学任学平.谢建新，等.形变诱导析IB在SAF22O5超 塑组织细化中的作用北京科技大学学报.2004,26(1):56(6 Klaehara Y Ohmori Y Microstractural change during superp 1- astic deformation of fenite/austcnile duplex stainless steel. Met- all Trans A. 19

19、87. 18A(3): 663(7 Soon H H. Young S H. Phenomena and mechanism on superpla stcity of duplex stainless steels. Met Mater. 2000. 6(2): 161(8 Balancing O. Hoffmann W A M. Jonas J J. Influence of micro- slructure on the llow behavior of duplex stainless steel at high temperature. Metall Mater Trans A. 2

20、000. 31A(5): 135319余水宁毛为民材料的结构北京，冶金工业til版社2001Vol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 # Vol.27 No.l张沛学等：双相不锈钢超塑性变形机理 # Superplasticity mechanism of duplex stainless steelsZHANG PeixiieJ KEN Xueping XIE Jiaikxiir, ZHANG Bingzhe", HAN WendiF, SUNG Jie"1) Materials Science and Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 China2) Technology Center. Jinan Iron & Steel Co. Ltd., Jinan 250101. China3) Scheduling Department. Jinan Iron