（材料加工工程专业论文）crmnnicun奥氏体不锈钢热变形行为及热加工图.pdf

硕十学伊论文 摘要 c r l 5 m n 9 c u 2 n i l n 属于2 0 0 系奥氏体不锈钢，主要以锰、氮元素来部分取代合 金元素镍，从而获得全奥氏体组织，它以优异的力学性能及较低的成本广泛地被 应用于各个领域。通过热加工工艺控制奥氏体不锈钢的再结晶组织，从而获得优 异的性能，这在热加工过程中显得尤为重要。在工厂实际生产中，热轧是生产 c r l5 m n 9 c u 2 n 订n 奥氏体不锈钢带材的关键工序。由于这种钢的化学成分与常规 的铬镍系奥氏体不锈钢存在较大的差异，热加工性能表现出极大的不同，人们对这 种钢的热加工特性还未认识清楚。热轧加工过程的工艺制度还不够完善，在热轧 生产过程中产品容易产生缺陷，如边裂、表面裂纹等，严重影响到产品的成型性。 通常热加工图能很好地解决这些问题，故通过热加工图来研究c r l 5 m n 9 c u 2 n i l n 奥氏体不锈钢的高温变形特性，具有重要的理论意义和应用价值。 本文在t h e r m o r e s t o r w 热力模拟试验机上，采用恒温恒应变速率压缩试验方 法，通过不同变形条件( 丁：9 5 0 12 0 0 ，g ：o 0 1s 一2 5 s d ) 下的真应力一真 应变曲线和热变形显微组织，研究了c r l 5 m n 9 c u 2 n 订n 奥氏体不锈钢的热变形行 为及热加工性能。基于动态材料模型理论( d m m ) ，构造出不同应变量下的热加 工图。结合高温变形组织，对热加工图进行综合分析，从而有效地将热加工过程 中不同热变形条件下的微观机制明确揭示出来，清楚地给出优化的热加工工艺参 数，为工艺制定的一般原则和可行工艺参数范围的选择提供了理论依据。主要研 究结果如下： 1 在高温压缩时，c r l 5 m n 9 c u 2 n 订n 奥氏体不锈钢的流变应力受变形温度和 应变速率的影响显著，随着变形温度的升高和应变速率的降低，流变应力减小。 流变应力曲线有动态回复型和动态再结晶型两种。氮作为间隙固溶原子，具有显 著的固溶强化效果，在变形温度小于l15 0 时，氮含量的增加导致流变应力增大， 而变形温度大于1 1 5 0 ，这种影响不是很显著。 2 通过回归分析方法得到c r l 5 m n 9 c u 2 n i l n 奥氏体不锈钢的热变形激活能， 低氮时为4 9 0 7 9k j m o l ，高氮时为4 6 4 2 2k j m o l 。较高的锰含量使得这种钢的热 变形激活能高于传统铬镍系不锈钢。氮对热变形激活能也有影响，氮含量增加 3 2 1p p m 使得激活能降低了2 6 2 7k j m o l 。由真应力应变曲线计算出的材料常数， 得出它们各自的热变形本构方程。 3 在同一应变速率下，随着变形温度的升高，c r l5 m n 9 c u 2 n i l n 奥氏体不锈 钢的显微组织经历了动态回复部分动态再结晶完全动态再结晶的组织演变规律。 氮含量较低时，再结晶晶粒尺寸受应变速率的影响较小，但组织形态有变化，在 0 o l s 。的应变速率下奥氏体晶界多为曲线状，而在2 5 s d 的应变速率下直线状的奥 氏体晶界较多。氮含量较高时，随着变形温度的升高和应变速率的降低，再结晶 程度逐渐增大，变形温度在1 1 5 0 以上时发生完全动态再结晶，而变形温度相同 c 卜m n n i c l 卜n 奥氏体不锈钢热变形行为及热加t 图 时，再结晶晶粒尺寸随应变速率的增大而减小。 4 由两种不同氮含量的c r l5 m n 9 c u 2 n i l n 奥氏体不锈钢的热加工图分析，得 出“安全”热加工区域随着氮含量的增加而有所扩大。当氮含量较低时，随着应 变量的增加，能量耗散效率因子变化较小，且分布和变化趋势大致相同，但流变 失稳区域随应变量的增加而逐渐减少。优先选择的热加工参数为：变形温度为 1 l7 0 12 0 0 ，应变速率为0 1s d 2 5 s ，该区域为完全动态再结晶区。当氮含 量较高时，流变失稳区域随应变量的增加从高温区向低温区移动，表明安全热加 工区域随应变量的增大而扩大。适合热加工的工艺参数范围为：变形温度为 1 1 0 0 1 2 0 0 ，应变速率为o 0 l s 以2 5 s ；变形温度为1 0 2 0 1 1 0 0 ，应变 速率为0 4 s 1 2 5 s 。其中优先选择的工艺参数为：变形温度为1 1 2 0 1 2 0 0 ， 应变速率为0 1 8 s 。2 5 s ，这个区域为完全动态再结晶区域，能量耗散效率达3 0 以上。 关键词：奥氏体不锈钢；热变形行为：热加工图；高温压缩；本构方程；动态再 结晶 硕十学何论文 a b s t r a c t i h ec r15m n 9 c u 2 nl1na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lb e l o n g st o2 0 0s e r i e sa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hi sat y p eo fs t a i n l e s ss t e e lw i t hn i t r o g e na n dm a n g a n e s ep a n l y r e p l a c i n gn i c k e l t oo b t a i nt h ea u s t e n i t i cm i c r o s t m t u r e i t se x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t ya n dl o w c o s tm a k ei tt ob ew i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s t h er e c r y s t a l l i z a t i o n m i c r o s t r u c t u r e so fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la r eo b t a i n e d t h r o u g hc o n t r o l l i n gh o t w o r k i n gp r o c e s st og e te x c e l l e n tp r o p e r t yo fm a t e r i a l ，w h i c hi se s p e c i a l l yi m p o n a n t o nt h ei n d u s t r i a lc o n d i t i o n ，h o tr o l l i n gi sv i t a lt op r o d u c i n gt h ec r l5 m n 9 c u 2 n i l n a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls t r j p s b e c a u s ec h e m i c a lc o m p o n e n t so ft h i ss t e e la r em o r e d i f f e r e n tt h a nt h e s eo fc o n v e n t i o n a lc r - n ia u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l a n di t sh o t w o r k a b i l i t ys h o w sg r e a td i f f e r e n e n c e ，t h eh o tw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h i ss t e e lh a s n o tb e e nc l e a r l yr e c o g n i z e d t h e r e f o r e ，t h ew o r k i n gp r o c e s so fh o tr o l l i n gh a sn o tb e e n p e r f e c t e d d u r i n gh o tr o l l i n g ，s o m ep r o d u c t sp r o n et od e f e c t s ，s u c ha se d g ec r a c k sa n d s u r f a c ec r a c k s ，w h i c hs e r i o u s l ya f - f e c tq u a l i t yo fp r o d u c t s t h e s ep r o b l e m sa r eu s u a l l y s o l v e db ym e t h o do fh o tp r o c e s s i n gm a p s ，s os t u d y i n gh i 曲t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h ec r l5 m n 9 c u 2 n i lna u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lh a sv e r yi m p o n a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p er ，t h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dc o n s t a n ts t r a i nr a t ec o m p r e s s i o nt e s t m e t h o dw a sp e r f o r m e db yu s i n gt h et h e r m o r e s t o r wt h e r m a l m e c h a n i c a lt e s t i n g m a c h i n e i nt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er a n g ef r o m9 5 0 t o12 0 0 a n ds t r a i nr a t e r a n g ef r o m0 ols 1 t o2 5 s 一，t h eh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dh o tw o r k a b 订i t yw e r e i n v e s t i g a t e db yt r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e sa n dh o td e f 0 r m a t i o nm i c r o s t r u c t u r e so f c r l5 m n 9 c u 2 n ilna u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lo f t w od i n f e r e n tn i t r o g e nc o n t e n t o nt h e b a s i so ft h ep r i n c i p l e so fd y n a m i cm a t e r i a l sm o d e l ，t h ep r o c e s s i n gm a p so ft h es t e e i 、v e r ec o n s t r u c t e da td i f f e r e n tt r u es t r a i n s t h ep r o c e s s i n gm a p sw e r es y n t h e t i c a y a n a l y z e dc o n n e c t i n gh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nm i c r o s t r u c t u r e s ， t h u st h e i r m i c r o - m e c h a n i s m sw e r ec l e a r l yr e v e a l e du n d e rd i f 俺r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n sd u r i n g h o tw o r k i n g ，a n dt h eo p t i m u mh o tw o r k i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eg o t ，w h i c h p r o v i d e dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h eg e n e r a lp r i n c i p l e so fp r o c e s ss e t t i n ga n d c h o o s i n go ff e a s i b l ep r o c e s sp a r a m e t e r s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w n a sf o l l o w s ： 1 t h en o ws t r e s s e so fc r l5 m n 9 c u 2 n i1na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ia r es t r o n g l y i n f l u e n c e d b yd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i n r a t e d u r i n gh i 曲 t e m p e r a t u r e c o m p r e s s i o n i td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e d e c r e a s eo fs t r a i nr a t e n i t r o g e nh a sr e m a r k a b l ef u n c t i o no fs o l u t i o ns t r e n g t h e n i n ga s i n t e r s t i t i a ls o l i ds o l u t i o na t o m w h e nt h ed e f o m l a t i o nt e m p e r a t u r ei sl e s st h a n1 15 0 ， l l l c 卜m n n i c u n 奥氏体不锈钢热变形行为及热加t 图 t h ei n c r e a s i n go fn i t r o g e nc o n t e n tr e s u l ti ni n c r e a s i n go f t h ef l o ws t r e s s ，b u tt h ee f f e c ti s n o tr e m a r k a b l ea b o v e1 15 0 2 t h eh o td e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yo fc r l5 m n 9 c u 2 n 订na u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e li sc a l c u l a t e db yr e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h e ya r e4 9 0 7 9 k j m o la n d 4 6 4 2 2 k j m o lr e s p e c t i v e l y h o td e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yo ft h i ss t e e li sh i g h e r t h a nc o n v e n t i o n a lc r n is t a i n l e s ss t e e lf o rh i 曲m a n g a n e s ec o n t e n t h o td e f o r m a t i o n a c t i v a t i o ne n e r g yi sa l s oa f - f e c tb yn i t r o g e n ，w h i c hi sd e c r e a s e d2 6 2 7 k j m o ld u et o i n c r e a s i n g3 2 1p p mn i t r o g e n t h e i rm a t e r i a lc o n s t a n t sa r er e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e db y t r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e s ，a n df i n a l l yt h eh o td e f - o r m a t i o nc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sa r e g o t 3 a tc o n s t a n ts t r a i nr a t e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fd e f o 咖a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nr u l eo fc r l5 m n 9 c u 2 n i1 na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li sf r o m d y n a m i cr e c o v e r y t o p a n i a ld y n a m i cr e c r y s t a l i i z a t i o n ， n n a l l yf u i l yd y n a m i c r e c r ) r s t a l l i z a t i o n t h er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z ei sr a r e l ya f 诧c t e db ys t r a i nr a t ew h e n n i t r o g e nc o n t e n ti sl o w e r ，b u ti t sm i c r o s t r u c t u r em o r p h o l o g yi so b v i o u s l ya f 诧c t e d ，v i z a u s t e n i t i cg r a i nb o u n d a r yi sc u r v es t a t ea ts t r a i nr a t eo fo 0ls 一，a n di ss t r a i g h tl i n es t a t e a ts t r a i nr a t eo f2 5 s w h e nn i t r o g e nc o n t e n ti sh i g h e r ，t h er e c r y s t a l l i z a t i o nd e g r e ei s g r a d u a l l yi n c r e a s i n gw i t h t h ei n c r e a s eo fd e f o r n l a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s eo f s t r a i nr a t e a tc o n s t a n ts t r a i nr a t e ，t h ef u l ld y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nm i c r o s t r u c t u r ec a n b eg o ta b o v el15 0 b u ta tc o n s t a n td e f 0 硼a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h er e c r y s t a u i z a t i o n g r a i ns i z ed e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i nr a t e 4 t h eh o tp r o c e s s i n gm a p so fc r i5 m n 9 c u 2 n 订na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw i t h t w od i f 佗r e n tn i t r o g e nc o n t e n tw e r ea n a l y z e d ，t h er e s u l ts h o w nt h a t s a f c ”h o tw o r k i n g w i n d o ww a se x p a n d e db y i n c r e a s i n gn i t r o g e n w h e nn i t r o g e nc o n t e n ti sl o w e r ，t h e e f n c i e n c yo fp o w e rd i s s i p a t i o nh a r d l y v a r i e sw i t hi n c r e a s i n go ft r u es t r a i n ，a n di t s d i s t r i b u t i o na n dc h a n g et e n d e n c ya r es i m i l a r ，b u tt h ef l o wi n s t a b i l i t yd o m a i ng r a d u a l l y d e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g0 ft r u es t r a i n t h ep r e f e r r e dh o tw o r k i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s a r ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er a n g i n gf r o m1 17 0 t o12 0 0 a n ds t r a i nr a t ef r o m0 1s q t 02 5 s ，、) v h i c hi sad o m a i no ff u l l yd y n a m i er e c r y s t a l l i z a t i o n n e v e r t h e l e s s ，w h e n n i t r o g e nc o n t e n ti sh i g h e r ，t h ef l o wi n s t a b i l i t yd o m a i nm o v e sf r o mh i g ht e m p e r a t u r et o i o wt e m p e r a t u r ew i t hi n c r e a s i n go ft r u es t r a i n ，t h i si n d i c a t e st h a t “s a f c ”h o tw o r k i n g w i n d o wi s e x p a n d e dw i t hi n c r e a s i n go ft r u e s t r a i n t h ea p p r o p r i a t eh o tw o r k i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sa r es h o w n ：t h ef i r s td o m i ni si nt h ed e f o m l a t i o nt e m p e r a t u r er a n g e f r o m11 0 0 t o1 2 0 0 a n ds t r a i nr a t er a n g ef r o mo 0 l s 1t o2 5 s 一，a n dt h es e c o n d d o m a i ni si nt h ed e f o m a t i o nt e m p e r a t u r er a n g ef r o m10 2 0 t ol lo o 锄ds t r a i nr a t c r a n g ef r o m o 4 s 1t o2 5 s 一t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e ri st h ed e f o 册a t i o n t e m p e r a t u r er a n g ef r o m1 1 2 0 t o1 2 0 0 a n ds t r a i nr a t er a n g ef r o m0 1 8 s ut o2 5 s 一， l v 硕十学 芦论文 w h i c hi sad o m a i no ff u l l yd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na n dt h ee 艏c i e n c yo fp o w e r d i s s i p a t i o ni sm o r et h a n3 0 k e yw o r d s ： a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；h o td e f 6 r m a t i o nb e h a v i o r ；h o tp r o c e s s i n gm a p ； h i g h t e m p e r a t u r e c o m p r e s s i o n ； c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n ；d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 纭旁 日期：矽年月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名獗孝亍日期矽年月口日 导师签名： 缘三 日期哆年多月，。日 力，j 。 硕十学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 奥氏体不锈钢自二十世纪二十年代初研制成功以来，得到了迅猛的发展。由 于该类不锈钢是一种十分优良的材料，在多种腐蚀介质中具有优秀的耐腐蚀性能、 较高的韧塑性、优良的工艺性能，以及无磁性，因而在能源、化工、石油、宇航、 食品、轻工、生物工程等众多领域里获得了广泛的应用。近些年来，奥氏体不锈 钢已发展成不锈钢中最重要的钢类，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量 的7 0 。尤其在中国，近十几年来，中国不锈钢的生产和消费迅猛发展。不锈钢 的表观消费量由19 9 0 年的2 6 万吨增长到2 0 0 6 年的5 9 5 万吨，成为世界上备受关注的 不锈钢第一消费大国。不锈钢需求的快速增长导致镍资源的严重紧缺，2 0 0 5 年镍 的价格已经攀升到十五年来的最高点。因此，根据中国不锈钢市场的需求特别是 巨大的民用市场和缺镍的国情，研究资源节约型不锈钢，已成为不锈钢发展的重 要课题。 奥氏体不锈钢可分为铬镍系奥氏体不锈钢和铬锰系奥氏体不锈钢两个系列比。： 铬镍系奥氏体不锈钢以镍为主要奥氏体化元素，钢中含有较高含量的镍( 8 w t ) 。 这个系列的不锈钢强度和硬度偏低，耐磨损性较差，不宜在承受较重负荷及对硬 度和耐磨性有较高要求的设备和部件上使用。并且由于镍合金化的奥氏体不锈钢 不但成本昂贵，而且人体器官对含镍的生物工程材料存在过敏性。 鉴于传统铬镍系奥氏体不锈钢的昂贵成本和某些应用领域的局限性，激发人 们用价格低廉的氮、锰来部分( 或完全) 取代镍，开发新型的低镍( 或无镍) 奥 氏体不锈钢铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢，这个系列被美国列为a i s l 2 0 0 系列。 铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢是往钢中加入锰和( 或) 氮代替贵重金属镍元素而发展 起来的，它的奥氏体化元素，除锰之外还有氮，一般还有适量的镍。钢中锰起稳 定奥氏体的作用。由于氮强烈地形成并稳定奥氏体，且起很好的固溶强化作用， 提高了奥氏体不锈钢的强度，因此这个系列的不锈钢，适宜在承受较重负荷而耐 蚀性要求不太高的设备和部件上使用。 为提高奥氏体不锈钢的强度和稳定奥氏体组织，向奥氏体钢中加入氮。但是， 由于氮对回复的阻滞作用，而对热加工性能非常有害。文献 3 表明，如果铬锰系 奥氏体不锈钢在热加工温度时6 铁素体含量太高，则此类钢倾向于边裂的产生，加 之此类钢的热延展性比传统铬镍奥氏体不锈钢低，具有较大的抵抗变形的能力， 因此，铬锰系奥氏体不锈钢的热加工性能( 热轧、锻造以及挤压等) 不如传统铬 镍系奥氏体不锈钢好掌握。 通过热模拟试验研究钢的热加工性能，从上世纪六十年代开始，就有很多学 c 卜m n n i c u n 奥氏体不锈钢热变形行为及热加t 图 者开始系统的分析和研究。研究的对象主要是变形抗力，研究内容是选择合适的 变形条件( 变形温度、变形速率和变形量) ，使钢的变形抗力尽量降低，从而达 到可加工的目的。目前，国内外对铬锰系奥氏体不锈钢热加工性能的研究报道非 常少，主要集中在氮含量高于0 4 的高氮钢。卜引，而对含氮量在0 1 0 4 的中氮 型奥氏体不锈钢热加工性能的报道还没有，故对这个系列的不锈钢的热加工性能 进行研究非常有必要。 1 2 铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢研究发展概述 锰和氮均为奥氏体形成元素，特别是氮，其在钢中形成奥氏体的能力约为镍的 3 0 倍。锰形成奥氏体的能力虽然较弱，仅为镍的二分之一，但锰稳定奥氏体的能 力很强，而且还能显著提高氮在钢中的溶解度，从而可提高氮向钢中的加入量， 所以为获得奥氏体组织，以锰、氮相结合代镍是最佳匹配，成为了既能获得奥氏 体组织，又能节约铬镍奥氏体不锈钢中镍的主要合金化方向阳1 。 1 2 1 铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢发展历史 据统计，全世界的镍产量中每年约有6 0 用于生产不锈钢。镍是比较稀缺且 价格昂贵的元素，特别是在战争时期，由于镍也是战略物资，因此镍的供应更为 紧张；而在和平时期，不锈钢的成本和售价也常随镍价的涨跌而波动。为此，德、 美诸国便在二十世纪初开始了以锰、氮代镍的铬锰奥氏体不锈钢的研究。 从二十世纪二十年代开始叫，a n d r e w ( 19 12 ) 发现了氮对钢力学性能及奥氏 体稳定性的重大影响。之后，a d c o c k ( 1 9 2 6 ) 做了氮在铬和铬铁合金中作用的相 似研究，文献记载了氮加入铁铬合金中提高强度。二十世纪三十及四十年代后期， 战争期间由于镍的短缺刺激了用氮代替镍以稳定奥氏体区的可能性研究。除了已 知的氮对结构和强度的影响外，u h l i g 首次报道了氮对耐蚀性的有利影响。阻碍氮 作为合金元素广泛使用的主要因素首先是氮的加入问题。在大气压强下氮溶解度 非常低，加入非常困难。由于加入量很小，因此其对钢的有利作用不明显。此外， 在某些合金钢中，氮在冲击韧性、塑性等方面存在不利影响，进一步阻碍了人们 对氮的应用的重视。 二十世纪五十年代，a o d 工艺使得氮作为气体代替不同的合金成为可能时， 就普遍用氮进行不锈钢的合金化。由于当时不锈钢中贵重元素镍资源的奇缺，促 使了人们对铬镍锰氮和铬锰氮奥氏体不锈钢的广泛研究。这种研究的结果，导致 了c r m n n i n 奥氏体不锈钢系列，即a i s l 2 0 0 系列不锈钢的诞生。钢中的n 含量 集中在o 1 0 0 2 5 范围内，这类钢的典型成分是1 7 c r 5 n i 6 m n n ( a i s l 2 0 1 ) 和 18 c r 5 n i 8 m n 0 15 n ( a i s l 2 0 2 ) ，其中l8 c r 5 n i 8 m n o 15 n 比a i s i 标准中的3 0 4 牌号的不锈钢具有更高的强度和耐蚀性。现在印度是a i s l 2 0 0 系列不锈钢最大的 生产者，几乎占全世界5 0 0 0 0 0 t 产量的7 0 。 2 硕十学化论文 进入六十年代后期，对含氮不锈钢的进一步研究使得氮在不锈钢中的有益作 用越来越多地为人们所认识。这时期首次工业化生产了含氮不锈钢“n i t r o n i c ” ( 2 1 c r 一9 m n 7 n i 0 3 2 n ) 和0 18 n 钢，德国的1 4 4 3 9 钢种( 相当于a i s l3 17 l m n 不锈钢) 也在同期出现在钢铁市场。这类钢的最大特点就是拥有优良的强度、低温韧性和 耐蚀性。虽然这一时期对钢种的开发有一定的突破，但是仍没有将含氮奥氏体钢 推广到广泛应用领域，只是丰富完善了氮对力学性能和腐蚀性影响的相关知识。 当时，研究者已经认识到，氮在显著提高不锈钢的力学性能的同时，还提高钢的 耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。 近年来，由于向钢中加入高氮量的工艺、技术，装备的进步，国内外大力开 发高氮高强度的铬锰奥氏体不锈钢，并且取得了引人注目的进展。自美国l9 5 5 年 将a i s l 2 0 1 和2 0 2 纳入a i s i 标准，随后陆续为一些国家所接受1 。中国1 9 7 5 年纳入 国家标准( g b l 2 2 0 ) ，牌号分别为l c r l 7 m n 6 n i 5 n ( 相当于a i s l 2 0 1 ) 和l c r l 8 m n 8 n i 6 n ( 相当于a i s l 2 0 2 ) ；日本1 9 7 2 年纳入j i s 标准，牌号为s u s 2 0 l 和s u s 2 0 2 ；俄罗斯( 前 苏联) 1 9 7 2 年纳入r o c t 标准的仅1 2 x 1 7 r 9 a h 4 ( 相当于a i s l 2 0 2 ) 一个牌号：英 国也是仅将相当于a l s l 2 0 2 牌号纳入了b s 标准，牌号为2 8 4s 1 6 。印度国家标准中， 2 0 0 系列钢种只有一个，但印度j i n d a l 公司2 0 0 系列不锈钢有儿、j 3 和j 4 共三个牌号。 发展至今，各国都相继研制并开发出属于自己牌号的铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢， 典型的牌号及化学成分如表1 1 所示2 1 3 1 。 表1 1 各国铬锰( 氦) 系奥氏体不锈钢牌号及化学成分 1 2 2 铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢研究现状 在国内，文献 1 4 从热处理工艺对室温拉伸性能的影响和试验温度对拉伸性 能的影响两个方面，分析了l c r l 7 m n 9 n i 4 n 奥氏体不锈钢的组织和力学性能之间的 关系，结果表明随着固溶处理温度( 9 5 0 1 0 7 5 ) 的提高，其强度降低、塑性提 c 卜m n n i c u n 奥氏体不锈钢热变形行为及热加t 图 高；水冷或空冷对力学性能的影响不大；与同类钢相比，1c r l7 m n 9 n i 4 n 奥氏体 不锈钢具有优异的室温和低温力学性能。文献 15 从化学成分和固溶温度出发， 对l c r l 7 m n 9 n i 4 n 不锈钢的组织和力学行能进行研究了，发现经1 0 0 0 1 1 2 5 固溶 处理后，这种钢的组织为单相奥氏体。在标准成分范围内，随着镍、锰含量的增 加，它的强度降低，塑性有所改善，而氮明显提高该奥氏体不锈钢的强度。文献 1 6 用电化学测试、化学浸泡等方法，研究了超级奥氏体不锈钢 0 0 c r 2 4 n i 2 2 m 0 7 m n 3 c u n ( 6 5 4 s m o ) 的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的性能，通过改变氮含 量，研究了氮对奥氏体不锈钢的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能的影响。文献 1 7 对 1 4 c r 8 m n ，16 c r 7 m n 2 m o ，18 c r 8 n i 2 m o 不锈钢中氮的溶解行为进行了实验研究。 文献 1 8 采用m 9 0 坩埚，在高频真空感应炉内，氮气压力o 4 5 1 0 m p a 、温度 1 6 4 0 1 7 0 0 下，对加压感应熔炼高氮f e 2 c r 2 m n 2 n i 系奥氏体不锈钢的方法进行了 试验研究。文献 1 9 采用中频感应炉熔炼，对电渣二次重溶工艺制备的 f e 2 c r 2 m n 2 c 2 n 无镍奥氏体不锈钢进行了组织与性能测试，结果表明显微组织为单 相奥氏体，并且这种钢具有优异的强度和韧性。文献 2 0 研究了c r m n n 系不锈钢 的腐蚀磨损行为。文献 2 1 采用2 0 0 k g 非真空感应炉，研制了一种c 卜m n n i c u n 奥氏体不锈钢，命名为y g a 2 0 l ，通过力学性能和复试试验，表明钢中含1 o 2 o 的c u 使其l0 5 0 固溶处理后的延伸率达6 0 ，高于a s t m 2 0 1 不锈钢，耐硫酸腐蚀 性能则略优于s u s 3 0 4 奥氏体不锈钢。 在国外，从晶粒尺寸方面出发心刘，研究了一种低镍奥氏体不锈钢( 镍含量为 ( w t ) 1 0 7 ) 的力学性能和抗腐蚀性能，得出这种钢经过奥氏体一马氏体一奥氏 体转变和退火处理，获得平均尺寸小于2 5 m 的超细晶粒。材料的显微硬度、屈服 强度和流变应力随晶粒尺寸的减小而增大，而延展性变化不大。但发现晶粒细化 对高氮奥氏体不锈钢的疲劳行为有不好的影响，普通抗腐蚀性也降低。文献 2 3 2 4 对一种含氮低镍奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能进行了研究。而针对低镍奥氏体不 锈钢的抗高温氧化性能，国外学者也做出了很多成果，如文献 2 5 2 6 分别采用 等温氧化和循环氧化过程，对这种钢的抗高温氧化性能进行了研究。此外，国外 还针对低镍奥氏体不锈钢生产加工过程中存在的问题，研究了其凝固过程中的结 晶模式，以及残留6 铁素体对低镍奥氏体不锈钢的室温性能的影响乜7 1 。利用多组分 相选择理论和t h e r n o c a l 的计算方法，研究了低镍奥氏体不锈钢化学成分对铸造过 程中的结晶组织的影响乜引。文献 2 9 研究了低镍奥氏体不锈钢热加工过程中再结 晶和晶粒长大的模型，以及变形量和变形温度对再结晶和晶粒长大的关系。 由以上可知，迄今，有关铬锰( 氮) 系奥氏体不锈钢的研究，主要集中在腐 蚀性能、力学性能、抗高温氧化性能以及微观组织的研究，但是对这类钢的热加 工性能的研究报道相比甚少。 1 3 金属材料热变形行为研究概述 4 硕+ 学忙论文 变形温度丁 0 6 ( 为金属熔点的绝对温度) 、应变速率超过1 0 4 s 1 的变 形称为热变形伽。由于热变形过程中，金属内部不仅存在着金属的流动，同时发 生着组织变化，故对金属的组织、性能和流变应力有着相当重要的影响。 1 3 1 金属材料热变形行为的研究方法 研究金属材料热变形行为的实验方法主要有拉伸、扭转、平面应变压缩、圆 柱体单向压缩等。这些基本实验方法是认识材料的高温塑性变形特征和评价材 料成型性指标的重要依据。在很多重要的金属成型工艺( 锻造、轧制、挤压和拉 拔等) 的优化设计和实施之前，均要事先借助这些基本的实验方法对材料在不同 变形条件下的塑性变形进行实验模拟，以便了解其高温变形力学行为。用这些基 本方法所测得的应力应变关系数据，对分析材料的塑性变形行为以及变形的本质 都有很大的作用。这三种实验方法各有优劣，分别适用于不同变形过程的模拟研 究m 3 引。 1 3 1 1 拉伸实验 拉伸实验常用于模拟拉拔和挤压变形。用拉伸法测定流变应力时，拉伸试样 出现颈缩前为单向拉应力状态，此时所测出的拉应力即为材料的流变应力。颈缩 出现后，应力状态变为复杂的三向状态。拉伸流变应力与挤压时的压力极限能力 直接相关，它对评价摩擦效应、工模具的负荷和寿命、变形温升效应等也有诸多 用途。断面收缩率则反映了材料在简单应力状态下的真实高温塑性。 拉伸实验有以下三个缺点：( 1 ) 常规拉伸设备的应变速率范围较小，一般限 制在10 。5 l0 0 s 。范围内，只有在特殊拉伸设备上才能达到较高的应变速率。平均等 效应变速率随拉伸颈缩现象