轧制变形量对微纳结构2507双相不锈钢力学性能的影响

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轧制变形量对微纳结构2507双相不锈钢力学性能的影响

轧制变形量对微纳结构2507双相不锈钢力学性能的影响

来源:双相不锈钢发布:2020-07-31 14:29:12类别:2507不锈钢

  传统金属材料的强度和硬度与晶粒尺寸之间满足Hall-Petch关系,合金的硬度和强度随晶粒尺寸的减小而增大。Hall-Petch关系是由多晶材料中位错堆积模型推导得出,晶界处的自由能远远高于晶粒内部的,所以晶界会阻碍位错的运动。而晶粒尺寸的减小会导致更多的晶界,使位错穿过晶界继续运动所需的外力更大,从而提高了合金的强度和硬度,这将完全符合Hall-Petch关系。但是卢柯等人研究发现,强度并不总是随着晶粒尺寸的减小而无限的增大。当晶粒小到纳米级时,Hall-Petch关系将不再成立。这是因为晶粒尺寸太小,晶粒内部很难容纳位错,导致塑性变形机制由位错滑移转变为晶界滑动,则经典的Hall-Petch关系不再适用。此时强度与晶粒尺寸符合反Hall-Petch关系,也就是当晶粒尺寸细化到纳米级后,合金强度随晶粒尺寸的减小而降低。

 

  当金属材料的平均晶粒尺寸超过微观水平时,强度主要受位错强化机制控制,变形机制主要是晶界滑移,当平均颗粒尺寸达到纳米尺度时,纳米晶和微晶在力学性能的控制中起着非常不同的作用,这是由于纳米颗粒发生了晶粒强化的因素,微晶颗粒由承载能力提供,可归因于不同的变形机制,如裂纹尖端钝化,裂纹偏转,或储存位错密度。裂纹尖端钝化是一种最简单的描述方法,易于沿脆性超细晶界扩展,这使得裂纹扩展在试图跨越微晶区时减弱,随着双峰结构的形成,粗晶相位错密度仍在增加,从而导致粗晶相局部缩颈和空洞。

  

  在800和600℃下轧制时材料的硬度都随着轧制变形量的增加而增加,但在800℃下70%变形量轧制后,材料的强度下降,这主要是因为析出相的原因,但材料的强度不单是由析出相所影响,还和晶粒尺寸以及纳米晶体积分数有关,随着轧制变形量的增加,微米晶逐渐破碎为亚微米晶和纳米晶,根据600℃下70%变形量轧制后材料的强度上升,可以推断出随着轧制变形量的增大,晶粒尺寸的改变有助于提升材料的强度。由于在高温下轧制,纳米晶会长大为亚微米晶和微米晶,因此轧制温度和变形量决定了材料中纳米晶和微米晶的分布。

 

  在双相不锈钢的轧制过程中,变形初期的应变分配,塑性应变几乎在较软的铁素体阶段被容纳,在较高的应变下,载荷从铁素体转移到奥氏体,研究表明在轧制过程中铁素体相的软化机制是动态回复和连续的动态结晶同时存在,奥氏体相为不连续动态再结晶。微纳结构2507双相不锈钢的硬度随轧制变形量的增大而增大,这主要由于纳米晶的晶粒尺寸随轧制变形量的增大而增大,由反Hall-Petch关系,合金的强度和硬度随晶粒尺寸的增大而增大;此外轧制后奥氏体和铁素体沿轧制方向拉长,交替排列,有助于轧制方向力学性能的提升。另外,双相不锈钢的塑性也随轧制变形量的增大而提高了,这主要是由于随轧制变形量的增大,纳米晶的体积分数降低,微米晶的体积分数增大,微米晶的加工硬化能力强,能够提升材料的塑性。此外轧制变形量越大,晶粒破碎越明显,而晶粒破碎后晶界和相界会增多,这有利于延缓裂纹的扩展,从而延迟合金的断裂。

 

  轧制温度对微纳结构2507双相不锈钢力学性能的影响图4.13是微纳结构2507双相不锈钢在不同温度50%变形轧制量下的力学性能,随着轧制温度的降低,材料的屈服强度有所提高,但抗拉强度稍有降低,延伸率随轧制温度的降低而下降。这主要是由于纳米晶和微米晶的分布情况不同造成的,课题组在微纳结构304和316L不锈钢的研究中发现,在轧制的过程中,随着轧制温度的降低和变形量的增大,微米晶在应力作用下逐渐破碎为亚微米晶和纳米晶,亚微米晶的平均尺寸减小且所占比例逐渐提高,这使得材料的纳米晶的分布相比与铸态合金更加的均匀,这将会使材料屈服强度升高;另外在轧制温度越高,纳米晶粒的生长越明显,根据反Hall-Petch关系,材料的强度提高。

 

  在2507双相不锈钢的轧制中,一方面轧制温度越高,晶粒长大明显;另一方面,由于铁素体相和奥氏体两相的变形软化机制不同,铁素体是动态回复,奥氏体是动态再结晶,因此随着轧制温度的降低,两相之间的变形越不协调,更多的晶粒破碎成为纳米晶,且尺寸较小。根据XRD数据和谢乐公式,可以计算得到800℃和600℃下奥氏体的晶粒尺寸为53 nm和25 nm,由于反Hall-Petch关系,随着晶粒尺寸的减小,材料的强度下降,且由于纳米晶的比例增加,材料的塑性也随之下降,因此在800℃时轧制更容易获得高强高塑的2507双相不锈钢。

 

  根据上述分析可以推测,微纳结构2507双相不锈钢在不同温度70%变形轧制量下后,800℃的强度和力学性能应该优于600℃,但是根据实验结果,800和600℃的抗拉强度分别为817和971MPa,延伸率分别为7.4和14.2%,可以看到随着温度的下降,强度提高,塑性提高,这和50%变形量的结果不一致,这主要是由于在800℃下轧制时出现了σ析出相,2507双相不锈钢在800℃下轧制变形量为70%时,由于停留时间长,使得铁素相发生相转变,生成σ相和γ2相,这个转变时间一般为30 分钟。由于σ相的析出,降低了材料的强度和塑性。在高强度、低加工硬化能力的纳米晶基体上加入高加工硬化能力的微晶作为增塑相,形成复合的结构,在不降低强度的前提下提高金属的均匀拉伸塑性,在具有微纳米结构的不锈钢中,一方面抑制了局部变形带的快速膨胀,另一方面在微晶区激发了更多的变形带,从而提高了整体塑性。多尺度双峰结构有效地阻止了断裂的进一步扩展,微纳米结构金属的变形机制仍以位错滑移为主,裂纹沿纳米晶边界生长,并通过纳米晶区,进而试图通过微晶区,降低了裂纹扩展速率,提高了塑性,试样的最终断裂是由于微晶与纳米晶强度的错配造成的。轧制过程中晶粒的长大取决于轧制过程中晶粒破碎的程度以及晶粒在高温下的停留时间。合金在轧制变形过程中微米晶以及大的纳米晶被破碎并转变为纳米晶。同时,轧制过程中晶粒会在高温下长大。随着轧制温度的降低,微米晶更多的破碎成细小的纳米晶且分散不均匀,由于反Hall-Petch关系,材料的强度随轧制温度的降低而减小。而由于纳米晶体积分数的增多,合金的塑性也随之减少。

 

 1. 在800℃下30%和50%变形量轧制时没有发生相变,材料由奥氏体和铁素体两相组成,70%变形量轧制时,材料出现σ析出相。600℃下不同变形量轧制时没有发生相变。


 2. 在800℃下轧制变形量为30%、50%和70%的抗拉强度分别为574、912和817 MPa, 555、523和711 MPa,延伸率分别为8.3、24.3和7.4%。由于70%轧制变形量时有σ析出相,因此强度和塑性先增大后减小。

 

 3. 在600℃下轧制变形量为30%、50%和70%的抗拉强度分别为726、863和971 MPa,屈服强度分别为508、511和712 MPa,延伸率分别为10.5、11.9和14.2%。轧制后材料的抗拉强度和屈服强度都随轧制变形量的增加而增加,延伸率随变形量的增加也增加。


 4. 在600℃下不同轧制变形量时,材料的强度和塑性逐渐提高,随着变形量的增大,微米晶更多的破碎成亚微米晶和纳米晶,且分散更加的均匀,使得材料的强度提升。另外随着轧制变形量的增加,奥氏体和铁素体沿轧制方向拉长,也使得轧制方向的力学性能提高。


 5. 在50%变形量轧制时,随着轧制温度降低,材料的强度降低,主要是由于在低温下晶粒破碎严重,纳米晶体积分数和晶粒尺寸更加细小,根据反Hall-Petch关系,材料的强度减小。

  


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