热变形对高氮奥氏体不锈钢Mn18Cr18N组织和显微硬度的影响

第３４卷第２期　・特殊钢　ＳＰＥＣＩＡＬ　ＳＴＥＥＬ　６８・２０１３年４月　Ｖｏ１．３４．Ｎｏ．２　Ａｐｒｉｌ　２０１３　热变形对高氮奥氏体不锈钢Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ组织和显微硬度的影响　徐国富　李晓源　时捷　（１华中科技大学材料科学与工程学院，武汉４３００７４；２钢铁研究总院特殊钢研究所，北京１０００８１）　摘要试验用Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ钢（／％：０．０３Ｃ、１９．２５Ｃｒ、１７．９６Ｍｎ、０．５９Ｎ）经１００　ｋｇ加压真空感应炉冶炼，锻造开　坯并轧成１２　ｍｍ板。用Ｇｌｅｅｂｌｅ　３８００热模拟机研究了温度（７５０～１　１５０℃）和变形（１５％～６０％）对Ｍｎ１８Ｃｒ１８Ｎ高　氮钢显微硬度和组织的影响，并得高氮钢的再结晶图。试验结果显示，处于未再结晶区时高氮钢Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ的显　微硬度随着变形温度升高缓慢下降，部分再结晶区时快速下降，完全再结晶区时又缓慢下降；在完全再结晶区时，　细晶强化是试验钢主要强化方式，显微硬度与晶粒尺寸符合Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ经验公式；在未再结晶区时，应变强化是主　要强化方式；未再结晶区变形强化效果要明显高于再结晶区。　关键词　高氮奥氏体不锈钢热变形显微硬度再结晶　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉ０ｎ　０ｎ　Ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ　Ｍｎ１８　Ｃｒ１８Ｎ　ＸＵ　Ｇｕｏｆｕ　．Ｌｉ　Ｘｉａｏｙｕａｎ　ａｎｄ　Ｓｈｉ　Ｊｉｅ　（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４；　２　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｓｔｅｅ１．Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｂｅｉｌｉｎｇ　１０ｏＯ８　１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｔｅｅｌ　Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ（Ｏ．０３Ｃ，１９．２５Ｃｒ，１７．９６Ｍｎ，０．５９Ｎ）ｉｓ　ｍｅｌｔｅｄ　ｂｙ　ａｎ　１００　ｋｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ　ｖａｃｕ．　ｕｍ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｕｍａｃｅ，ｆｏｒｇｅｄ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ａｎｄ　ｒｏｌｌｅｄ　ｔｏ　１２ｍｍ　ｐｌａｔｅ．Ｗｉｔｈ　ｕｓｉｎｇ　Ｇｌｅｅｂｌｅ　３８００　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（７５０—１　１５０℃）ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ（１５％～６０％）ｏｎ　ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｓｔｅｅｌ　Ｍｎｌ８Ｃｒ１８Ｎ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｏ　ｇｅｔ　ａ　ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｓｔｅｅ１．Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｎｏｎ—ｃｒｙｓ．　ｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｔ　ｄｅｆｉｎｉｔｅ　ｓｔｒａｉｎ．ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｓｔｅｅｌ　Ｍｎｌ８Ｃｒ１８Ｎ　ｄｅｃｒｅａ—　ｓｅｓ　ｓｌｏｗｌｙ，ｂｕｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｉｎ　ｐａｒｔ—ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ，ｆｉｎａｌｌｙ　ａｇａｉｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｓｌｏｗｌｙ　ｉｎ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｒｅｅｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ；ｉｎ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｇｒａｉｎ　ｒｅｆｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ａｖｅｒａｇｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ａｒｅ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　Ｈａｌ１．Ｐｅｔｃｈ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄ　ｆｏｒｍｕｌａ：ｉｎ　ｎｏｎ．ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｉｓ　ｍａｊｏｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｉｎ　ｎｏｎ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ．　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｉｎｄｅｘ　Ｈｉｇｈ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ，Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ，Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　高氮奥氏体不锈钢强化方式为：（１）氮原子的　固溶强化。氮原子比碳原子具有更好的固溶强化效　果，可有效提高强度¨引。（２）细晶强化。高氮奥氏　７５０，８００，８５０，９００，９５０，１　０００，１　０５０，１　１００，１　１５０　ｏＣ，　每个温度压缩变形量分别为１５％，３０％，６０％。　为了研究显示晶粒，变形后试样在６５０　ｃＩ＝时效　体钢在热加工过程中，通过再结晶区控制轧制可获　得细晶强化　。（３）位错强化和孪晶强化。形变　强化是高氮奥氏体钢获得强度的主要方式，其本质　是位错强化　和孪晶强化　』。　１实验材料和方法　１　ｈ。利用ＦＭ－３００显微硬度仪测量显微硬度，加载　载荷为２００　ｇ，每个试样测２０点，结果取平均值。　２热变形对Ｍｎ１８Ｃｒ１８Ｎ钢硬度和组织的影响　充分固溶后实验钢的显微硬度为２５９　ＨＶ。不　同温度热变形后的实验钢硬度高于固溶状态，其硬　实验用钢为容量１００　ｋｇ的加压真空感应炉冶　炼的Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ钢（０．０３Ｃ－１９．２５Ｃｒ－１７．９６Ｍｎ．　度增量来源于细晶、位错、孪晶等强化方式。图１　（ａ）中显示了热变形参数与显微硬度增量的关系，　可见在不同变形量下显微硬度增量呈现不同的变化　规律。１５％变形量的试样在７５０～１　０５０℃硬度下　０．５９Ｎ），经锻造开坯后得到（ｍｍ）２００×２３０×２６０钢　坯，１　１５０　ｏＣ钢坯轧制成１２　Ｂ１ＴＩ厚钢板，热变形试样　８　ｍｍ×１２　ｍｌｎ。热变形试验在Ｇｌｅｅｂｌｅ　３８００型热　模拟试验机上进行。试样以５Ｏ　／ｓ加热到１　１５０　降较为缓慢，变形温度超过ｌ　０５０℃后硬度快速下　降；３０％变形量在７５０—９５０℃硬度下降较为缓慢，　在９５０～１　０５０℃快速下降，在１　０５０～１　１５０　ｏＣ又缓　慢下降；６０％变形量在７５０—８５０　ｏＣ缓慢下降，在　ｑＣ，保温４　ｍｉｎ，然后以５￣Ｃ／ｓ降至不同变形温度，保　温２　Ｓ后进行压缩试验，水冷。变形温度分别为　・７０・　特殊钢　第３４卷　、越礴萼ｆ出　图３　Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ钢的再结晶图（ａ）；变形量对Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ钢显微硬度增量的影响（ｂ）；平均晶粒尺寸对Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ钢显微　硬度的影响（ｅ）　Ｆｉｇ．３　Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ（ａ）；Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　Ｍｎ１８Ｃｒ１８Ｎ（ｂ）；Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｖｅｒａｇｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　Ｍｎ１８Ｃｒ１８Ｎ（ｃ）　表１　压缩变形参数对Ｍｎ１８Ｃｒ１８Ｎ钢再结晶晶粒尺寸的　程Ｈ＝２１３＋８．２７Ｄ　以表示。　影响　Ｔａｂｌｅ　１　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　（３）未再结晶区的形变强化效果明显好于再结　ａｖｅｒａｇｅ　ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ　晶区细晶强化效果。　参考文献　［１］Ｅｗａｌｄ　Ｗｅｒｎｅｒ．Ｓｏｌｉｄ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｇｒａｉｎ　Ｓｉｚｅ　Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ—　ｌａｌｏｙｅｄ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，　１９８８，１０１：９３－９８．　［２］Ｄｉ　Ｓｃｈｉｎｏ　Ａ，Ｋｅｎｎｙ　Ｊ　Ｍ．Ｇｒａｉｎ　Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　ａ　Ｍｉｃｒｏ—　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｈｉｇｈ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｌｅｔｔｅｒ，２００３，５７：１８３０－１８３４．　［３］Ｓｐｅｉｄｅｌ　Ｍ　Ｏ．Ｎｅｗ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｂｅａｒｉｎｇ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌｓ　ｗｉｔｈ　Ｈｉｇｈ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　Ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，　２００５，４７：９－１３．　大时材料的显微硬度，　代表了晶界对变形的阻碍　［４］Ｇａｖｒｉｌｊｕｋ　Ｖ　Ｇ，Ｂｅｒｎｓ　Ｈ，Ｅｓｃｈｅｒ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｇｒａｉｎ　Ｂｏｕｎｄａｒｙ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅ．　ｎｉｎｇ　ｉｎ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ　Ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉｌａｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉ．　作用，Ｄ代表平均晶粒尺寸。图３（Ｃ）为显微硬度和　ｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，ｌ９９９，２７１：１４－２１．　晶粒尺寸的关系图，可见两者之间关系符合Ｈａｌ１．　［５］Ｉｋｅｇａｍｉ　Ｙｕｊｉ，Ｎｅｍｏｔ　Ｒｉｋｉｏ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ—ｎｉｔｒｏｇｅｎ　Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　Ｃｒ　Ｍｎ—Ｎｉ　Ｐｔｅｃｈ关系，得到的线性回归方程为Ｈ＝２１３＋　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．ＩＳＩＪ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９６，３６（７）：８５５—　８６１．　８．２７Ｄ一　。　［６］Ｆｒｅｃｈａｒｄ　Ｓ，Ｒｅｄｊａｉｍｉａ　Ａ，Ｌａｃｈ　Ｅ，ｅｔ　ａ１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｏｆ　Ｎｉ．　控轧得到的高氮钢比冷变形后固溶得到的普通　ｔｒｏｇｅｎ—ａｌｌｏｙｅｄ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ　Ｈａｒｄｅｎｅｄ　ｂｙ　Ｗａｒｍ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　奥氏体钢有更高的细晶强化系数ｋ，可能的原因是　［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉｌａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，２００６，４１５：２１９￣２４．　［７］Ｋａｒａｍａｎ　Ｉ，Ｓｅｈｉｔｏｇｌｕ　Ｈ，Ｍａｉｅｒ　Ｈ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｍｐｅｔｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　控轧得到的动态再结晶组织仍有较高的位错密度，　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔｌａｓ　ｗｉｔｈ　ａｎｄ　Ｗｉｔｈｏｕｔ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２００１，４９：３９１９．　而冷却固溶后的晶粒内部位错密度都很低，也有可　３９３３．　能是氮原子有利于平面滑移和孪晶密度的增加，孪　［８］Ｂｙｕｎ　Ｔ　Ｓ，Ｌｅｅ　Ｅ　Ｈ．Ｈｕｎｎ　Ｊ　Ｄ．Ｐ１ａｓｔｉｃ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　３１６ＬＮ　Ｓｔａｉｎ—　ｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ—ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅｓ『Ｊ］．Ｊｏｕｒ－　晶界增加了对位错滑移的阻碍作用。　ｎａｌ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｍａｔｅｒｉｌａｓ，２００３，３２１：２９－３９．　［９］Ｌｅｅ　Ｔ　Ｈ，Ｏｈ　Ｃ　Ｓ，Ｋｉｒｎ　Ｓ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｗｉｎｎｉｎｇ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ．ｎｉ．　４结论　ｔｒｏｇｅｎ　Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２００７，５５：　３６４９．３６６２　（１）随着变形温度升高，在未再结晶区时高氮　钢显微硬度缓慢下降，在部分再结晶区快速下降，在　完全再结晶区时再次缓慢下降。　徐国富（１９８７一），男，硕士，高氮不锈钢控制轧制。　（２）在完全再结晶区时，实验钢显微硬度与晶　收稿日期：２０１２．１１－０２　粒尺寸符合Ｈａｌｌ—Ｐｔｅｃｈ经验公式，可用线性回归方