J4节镍奥氏体不锈钢动态再结晶行为的研究

魏新鹏

（福建吴航不锈钢制品有限公司，福建 福州 350200）

J4节镍奥氏体不锈钢动态再结晶行为的研究

魏新鹏

（福建吴航不锈钢制品有限公司，福建 福州 350200）

通过在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行等温压缩试验，研究了变形工艺参数对节镍奥氏体不锈钢J4动态再结晶行为的影响。结果表明，应变率越小、变形温度越高、应变量越大，J4钢越易发生动态再结晶。J4 钢在ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃时，将发生动态再结晶。在ε˙=0.1s-1、T=950℃～1200℃时，只能发生动态回复。其动态再结晶峰值应变εp≥0.12、稳态应变εs≥0.4。

材料实验；动态再结晶；不锈钢；研究

1 引言

节镍奥氏体不锈钢以锰和氮代替部分镍，可以降低生产成本，同时又具有不锈钢的特点，因而得到业界的青睐。加入锰和氮的不锈钢性能与常规的Cr-Ni型奥氏体不锈钢相比有一定的差异[1]，在热连轧过程中金属将发生位错增殖引起的加工硬化和动态回复或动态再结晶带来的软化两个矛盾过程。这两个过程也是影响产品组织性能、质量和热轧工艺的关键因素。然而，这两个过程会随应变量、应变速率、轧制温度的不同而发生主次的转化[2，3]。本文以节镍奥氏体不锈钢J4钢为研究对象，利用单道次压缩实验，对其在热变形过程中的动态再结晶行为进行了研究，为该类钢的组织与性能预报和产品质量控制提供理论依据。

2 实验材料与方法

实验选用节镍奥氏体不锈钢——J4钢，材料从热连轧钢带用的连铸坯料上截取，加工成ø8mm×12mm压缩试样。材料化学成分见表1。

表1 实验用钢的化学成分（%，质量分数）

实验在GLEEBLE-1500D热模拟试验机上进行等温压缩变形，实验条件选用：变形温度1250℃、1200℃、1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃，应变速率 0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1，真应变 0～0.9。试样在真空下以10℃/s的速度加热至1200℃，保温3min，然后以5℃/s的速度降温至变形温度并保温30s，最后在变形温度下压缩。试样变形结束后迅速淬火以保留变形结束瞬间的再结晶组织，然后将试样沿轴向切开、磨抛、腐蚀后对试样中部进行金相分析。

3 实验结果与分析

3.1 应力—应变曲线

节镍奥氏体不锈钢J4在不同温度和应变速率下的应力—应变曲线如图1所示。曲线表现出动态回复和动态再结晶两种不同的类型。图1a、b所示，曲线逐渐增大，达到峰值后开始下降，然后保持稳定。图2描述了该过程中金相组织的演变历程。图2a显示：变形初期，晶粒被拉长但大小不变，说明此时仅发生位错增值能量累积的加工硬化而没有发生动态再结晶，故应力随应变几乎线性增大。图2b显示，当应变量达到一定值（临界应变εc，实践中常用应力达到峰值时的应变峰值应变 εp代替 εc，εc≅0.65εp）后发生了动态再结晶[4]。动态再结晶引起位错的消减，加工硬化被削弱，应力随应变增长速度变缓。图2c显示，当应变量增大到稳态应变εs时，金属内发生了完全动态再结晶，此时动态再结晶引起的位错消减速度等于变形带来的位错增值速度，金属内部处于动态平衡的结晶稳态，因此，应力不再随应变增大而是稳定在一定水平。图1a、b显现了典型的动态再结晶型应力—应变曲线特征。从图中可以看出，ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃的变形条件下，J4钢将发生动态再结晶。与此相区别，图1c中当ε˙=0.1s-1，温度 T=950℃～1200℃时，曲线线性的增大到一定值后逐渐保持稳定。这是因为：变形初期，同样主要发生位错增值累积能量的加工硬化，当能量累积到一定值后仅诱发了动态回复，因变形带来的位错增值速度与动态回复引起的位错消减速度相等，应力—应变曲线就稳定在一定值，即动态回复型曲线。由于动态回复引起的位错消减速度低于动态再结晶时，所以，应力—应变曲线逐渐增大到最大值后没有下降的阶段，即稳定在一定值。

从上述分析知，动态回复与再结晶只有在金属发生一定变形并储存足够能量后才会发生，而这一变形量又随应变速率和温度的不同而异。

3.2 应变率和应变量对动态再结晶的影响

图3是1250℃时不同应变率下随应变量的增加动态再结晶分数的变化曲线。由图可见，同一温度和应变率下应变—动态再结晶分数曲线呈S型：应变较小时动态再结晶分数亦较小；应变增到到某一数值后动态再结晶分数迅速增大，最后稳定在最大值。动态再结晶分数开始快速增大和刚到最大值时对应的应变即分别为前述的临界应变εc和稳态应变εs。比较不同应变率下的三条曲线发现：应变率越小，动态再结晶临界应变εc和稳态应变εs亦较小，表明应变率越小越易发生动态再结晶；此外，应变率越小上升阶段曲线也越“平缓”，这是因为低应变率下，发生动态再结晶的同时金属内部亦有足够的时间更多的通过动态回复释放变形能[5]。这些现象说明，要想诱发动态再结晶,必须使金属产生足量变形，对 J4 钢来说，其临界应变 εc＞0.12，稳态应变 εs＞0.4。

3.3 应变率和温度对动态再结晶的影响

温度是影响动态再结晶发生与否的决定因素之一，它主要通过影响原子扩散速度和提供扩散激活能来影响动态再结晶。而原子扩散是时间的函数，即受变形速度的影响。为综合反映温度和应变率的作用，引入温度补偿应变率Zenner-Hollomon参数，其定义见式（1）[6]：

式中：Qdef——动态再结晶激活能（对确定材料为一常数）；

R——气体常数；

T——温度。

图4是Z参数随应变变化而划分的动态再结晶区域图，该图同样应证了临界应变εc和稳态应变εs的存在。此外，从图中可见：要使动态再结晶易发生，即在较小的临界应变εc和稳态应变εs下发生，Z参数值也应越小（lnZ越小）。对一确定的Z值，要想Z值小，ε˙较小时，T 亦可较小；ε˙较大时，T 必须较大。这说明，低应变率时，可以在较低温度下诱发动态再结晶；而高应变率时，只有在较高温度下才能诱发动态再结晶。

4 结论

（1）节镍奥氏体不锈钢 J4 钢在ε˙＜0.1s-1、T≥950℃和ε˙=0.1s-1、T＞1200℃时，将发生动态再结晶；而当ε˙=0.1s-1，温度 T=950℃～1200℃时，只能发生动态回复。

（2）J4钢发生动态再结晶的峰值应变和稳态应变分别为：εp≥0.12，εs≥0.4。

（3）随应变率降低，J4钢发生动态再结晶的起始温度和临界应变减小，动态再结晶更易发生；而应变率较大时，J4钢只能在较高温度较大应变下，才能诱发动态再结晶或仅发生动态回复。

[1] 许淳淳，张新生，胡 钢.塑性变形对AISI304不锈钢组织及耐蚀性的影响[J].化工学报，2003，6（54）:790-795.

[2] 张 锋，李永堂，齐会萍，等.环形铸坯热辗扩成形微观组织演变规律研究[J].锻压装备与制造技术，2011，46（2）:41-42.

[3] 陈明明，何文武，刘艳光，陈慧琴.316LN奥氏体不锈钢亚动态再结晶行为的研究[J].锻压装备与制造技术，2010，45（4）:83-86.

[4] MCqueen H J，Ryan N D.Constitutive analysis in hot working[J].Mater Sci Eng，2002，A322:43.

[5] Medina S F，Hernandez C A.Modelling of the dynamic recrystallization of austenite in low alloy and microalloyed steels[J].Acta Mater，1996，44（1）:165.

[6] MCqueen H J，Yue S，Ryan N D，et al.Hot working characteristics of steels in austenit1ic state[J].Mater Proc Techn，1995，（53）:293.

Research on dynamic re-crystallization behaviors of J4 low nickel austenite stainless steel

WEI Xinpeng
（Fujian WuHang Stainless Steel Products Co.，Ltd.，Fuzhou 350200，Fujian China）

The influence of deformation process parameters on dynamic re-crystallization of J4 low nickel austenite stainless steel has been investigated by isothermal compression test on Gleeble-1500D thermal simulator.The results show that the dynamic re-crystallization rate of J4 steel increases with smaller strain rate and bigger deformation temperature and strain.Dynamic re-crystallization of J4 steel occurs at the following conditions of deformation:＜0.1s-1，T ≥950℃ and=0.1s-1，T ＞1200℃ .Only dynamic recovery occurs at strain rate of 0.1s-1and T=950℃～1200℃.The dynamic re-crystallization strain fell in the range εp≥0.12 and εs≥0.4.

J4；Process parameter；Dynamic re-crystallization；Dynamic recovery

TG111.7

B

1672－0121（2011）06－0094－03

2011-08-29

魏新鹏，男，工程师，硕士在读，从事金属成形技术及理论研究