增氮降镍对316L不锈钢管热变形行为的影响

 浙江至德钢业有限公司在变形量为60%，应变速率为0.01~0.1s，变形温度为950~1100℃的条件下，利用Gleeble-1500D热模拟机对不同成分316L不锈钢管进行了单道次压缩试验，通过分析真应力-真应变曲线、变形后组织、热变形激活能，得到增氮降镍对316L不锈钢管热变形行为的影响。结果表明，在热变形条件下，试验钢均发生了动态再结晶；增氮降镍后，提高了试样的变形抗力，其热变形激活能显著增加，由420.26kJ-mol分别提高到514.28和473.7kJ·mol，抑制了动态再结晶的发生。

 316L不锈钢管属于典型的铬镍系奥氏体不锈钢管，具有良好的耐海水腐蚀、晶间腐蚀、冲击韧性等综合性能，被广泛应用于换热器、医用品、管道、化工、海洋领域]，但由于镍含量较高，导致成本较高。研究发现氮作为合金元素具有稳定奥氏体组织的作用；提高奥氏体不锈钢力学性能和耐腐蚀性能，增加氮元素降低镍元素可以有效减少生产成本。金属在热变形过程中伴随着加工硬化、动态回复、动态再结晶的发生，而不同的化学成分影响了金属的热变形温度、热变形速率，从而对材料的最终使用性能有深远的影响。至德钢业以增加氮元素减少镍元素的316不锈钢管为研究对象，利用Gleeble-1500D热模拟机对试验钢进行高温压缩试验，研究增氮降镍对试验钢动态再结晶的影响，为控制奥氏体不锈钢管再结晶晶粒尺寸、形态及均匀化程度提供一定的理论依据。

一、试验材料及方法

 试验用316L不锈钢管通过在30kg真空感应炉内，常压充氮以及二次布料加入氮化合金的方式冶炼获得，其化学成分如表1。将试验钢锭加热到1200℃，保温2h后，锻造成25mm×25mm方坯，开锻温度为1150℃~1160℃，终锻温度控制在930℃以上，锻后空冷。

然后对锻后的试验钢进行1100℃保温1小时的固溶处理，使碳化物、氮化物、碳氮化合物等固溶到奥氏体基体，固溶处理后快速冷却。接着将经过固溶处理的试验钢用钼丝切割机加工成p8mm×15mm圆柱试样，在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行单道次压缩试验验。试样以20℃/s的升温速率加热至1150℃，保温2min以消除加热不均匀引起的温度梯度，再以10℃/s的速率分别降温至1100、1050、1000和950℃，以0.01、0.03和0.1s1的变形速率，60%的变形量进行压缩试验，压缩结束后水冷，采用化学腐蚀液王水对试验用316L不锈钢管进行腐蚀。

二、结果与分析

 图为No.0、No.1、No.2试验用316L不锈钢管在950、1000、1050和1100℃，应变速率分别为0.01、0.03和0.1s下压缩真应力-真应变曲线。由图可见，试验钢在不同应变速率和变形温度下的流变应力曲线变化趋势相似，真应力-真应变曲线出现应力峰值，属于动态再结晶型。从图中明显看出在同一应变速率、变形温度下增氮降镍的No.1、No.2试样峰值应力、达到峰值的应变量均高于No.0试样，是因为氮原子比铁原子半径小，固溶在奥氏体基体中能产生很大的畸变能；偏聚在晶界处的氮化物占据晶界畸变区，阻碍晶界的滑动，通过固溶强化和晶界强化可以提高试验钢的抗变形强度，具有较高的加工硬化率。镍元素同样有提高材料强度的作用，因此在No.1、No.2号316L不锈钢管试样氮含量相等的情况下表现出No.1试样的峰值应力高于No.2试样的现象。

 图为316L不锈钢管试样在变形温度为950℃，应变速率为0.01、0.03和0.1s时的真应力真应变曲线。在变形温度相同时，随着应变速率的增加，变形初期的位错量提高和位错间的相互作用使得加工硬化率迅速提高，因此峰值应力和稳态流变应力随之增加。同时，随着应变速率的增加，应力峰值沿应变量增大的方向移动，在低温下影响不显著，当变形温度在1050、1100℃时明显观察到应力峰值向应变增大方向移动。试样以应变速率为0.01s1，温度为950、1000、1050和1100℃的热压缩真应力-真应变曲线如图所示。对于同一应变速率下的热压缩，温度越高，对应的峰值应力越低。是因为在较高的温度下变形时，加工硬化率较低，回复软化过程容易进行，空位原子扩散和位错进行交滑移、攀移的驱动力增加，有利于动态再结晶的发生。综合分析不同变形条件下的真应力真应变曲线可得：氮元素的添加使得316L不锈钢管试样的流变应力增幅较大，试样的流变应力曲线为动态再结晶型；应变量、应变速率恒定时，应力峰值随着变形温度的升高反而降低，有利于再结晶的发生；应变量、变形温度恒定时，应力峰值随着应变速率的上升而上升，且应力峰值向应变增大的方向移动，不利于再结晶的发生。