409L铁素体不锈钢的热变形行为_樊丁
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at dif ferent temperature and strain rate
态再结晶型 .其余变形温度 、应变速率下的流变曲线 呈逐渐上升的加工硬化型或具有一稳态的动态回复 型[ 4] .通常认为铁素体具有较高的层错能 , 高温使位 错的攀移和交滑移容易发生 , 因此铁素体只发生动
· 14 · 兰 州 理 工 大 学 学 报 第 36 卷
车排气系统用钢的要求 , 已成为汽车排气系统的首 选材料 .日本和欧美的汽车厂均从 20 世纪 80 年代 起全面使用铁素体不锈钢作为制造汽车排气系统的 材料[ 3] .
本文针 对 409L 铁素 体不 锈钢进 行热压 缩试 验 , 研究变形温度 T 、应变速率 ﹒ε等参数对热变形力 学参数的影响 , 综合分析了 409L 铁素体不锈钢的 高温热变形行为 .
(mass-fraction)
%
C 0 .015
Si 0 .44
Mn 0 .47
S
P
Cr
0 .008 0 .016 11 .62
Ti 0 .25
图 1 409L 铁素体不锈钢偏光组织 Fig.1 microstructures of polarized light of 409L FSS
压缩热变形试验在 T H ERMO RS T ER-W 热模 拟试验机上进行 , 试样尺寸为 8 mm ×12 .4 m m , 为了确保温度的均匀性 , 采用不锈钢底座及硬质合 金圆柱形压头 .试样与压头之间涂石墨粉以利于润 滑和改善形变的均匀性和稳定性 .变形温度 T =950 ～ 1 150 ℃, 应变速率分别为 0 .01 , 0 .1 , 1 .0 s-1 .以 10 ℃/ s 将试样加热到变形温度 , 保温 120 s , 然后 以不同的应变速率 ﹒ε加载至真应变 0 .65 (压下量约 为 50 %)为止 , 变形后立即水淬 .将经热变形的试样 沿轴向中心剖开 , 磨制 、抛光及腐蚀后观察显微组织 形貌 .
Hot deformation behavior of ferritic stainless steel 409L
FA N Ding1, 2 , Z H OU Jing1 , JI Gen-shun1 , LIU Shu-min1 , Z H ANG Jian-bin1
(1 .S tat e K ey Lab orat ory of G ansu A dvan ced N onferrous M etal M aterials , Lanzh ou U ni v .of Tech ., Lanz hou 730050 , Chi na;2 .K ey Lab orat ory of N onferrous M etal A lloys , T he M ini st ry of Educati on , Lanzhou U ni v.of Tech ., Lanz hou 730050 , Chi na)
2 试验结果及分析
2 .1 热变形流变曲线 图 2 为不同变形温度 、应变速率下的真应力–
真应变曲线 .从图 2a 可见 , 变形温度 950 ℃时 , 峰值 应力的变化趋势与应变速率相同 , 应变速率从 0 .01 s-1 增加到 1 .0 s-1 时 , 峰值应力也从 20 .72 M Pa 增 加到 66 .94 M Pa .应变速率一定时 , 峰值应力随着变 形温度的增大而减小 , ﹒ε=0 .1 s-1 时随着变 形温度 的升高 , 峰值应力从 38 .30 M Pa 减小到 17 .94 M Pa (图 2c).由此得知 , 应变速率越小 , 钢中的奥氏体和 铁素体发生动态回复和动态再结晶越充分 , 因而软 化过程就越显著 , 峰值应力也随之减小 .同时 , 流变 应力也随应变速率减小而下降 .表 2 列出了不同热 变形条件下 409L 不锈钢的峰值应力 .可见 , 峰值应 力随变形温度降低和应变速率增大而增加 .
DO I :10.13295/j .cnki .j lut .2010.01.020
第 36 卷 第 1 期
兰 州 理 工 大 学 学 报
2010 年 2 月
Jo urnal of Lanzho u Univ ersity of T echno lo gy
文章编号 :1673-5196(2010)01-0012-04
态回复而不 发生 动态 再结 晶[ 5] , 而当 变形 温度 为 1 150 ℃, 应变速率为 0 .01 s-1时 , 铁素体内部已经 发生了动态再结晶 , 如图 3 所示(A 处为奥氏体 , F
处为铁素体).
ln sinh(α· σp)与 ln ﹒ε呈线性关系 , 随着应变速率增 加 , 峰值应力呈线性增加 , 各个温度下的变化率几乎 是一致的 .图 4b 示出了其热变形峰值应力与变形温 度的关系 , 应变速率一定时 , 409L 不锈钢的 ln si nh (α· σp)与 10 000/ T 呈线性关系 .随着变形温度的 升高 , 热变形峰值应力逐渐减小 .
近年来 , 随着汽车工业的飞速发展 , 汽车排气系 统用材越来越受到汽车生产厂商的重视 .铁素体不 锈钢以其优良的低冷加工硬化倾向 、耐高温 、耐氯化 物应力腐蚀 、耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能满足了汽
收稿日期 :2009-06-18 作者简介 :樊 丁(1961-), 男 , 甘肃合水人 , 教授 , 博导 .
Abstract :T he ho t defo rmatio n behavio r of f errite st ainless steel 409L w as investig ated by means of ther-
m o-m echanical simulatio n test at temperature rangi ng fro m 950 ℃ t o 1150 ℃w i th strain rate of 0 .01 , 0 .1 , 1 .0 s-1 , and in condi tion of 50 % pressing-dow n rate .T he eff ect of temperature and st rai n rat e on creeping st ress of 409L at reducti on ratio 50 % w as discussed .T he result show ed t hat t he apparent st ress exponent and t he appa rent act ivatio n energy of the steel are about 4 .06 and 212 kJ/ mol , respect ively .T he hot def o rm atio n equatio n of 409L w as ﹒ε=3 .017 · 109 [ sinh (α·σp)] 4.06ex p(-212 000/ R T).Its so f tening m echanism varied w i th Zene r-H ollo mon parameter(abbreviat ed as Z).Wi th i ncreasing of Z v alue fro m 6 .11 × 105 t o 1 .15 ×109 , t he ho t defo rmatio n peak st ress increased correspondingly f rom 11 .71 M Pa to 66 .94 MPa.
strain rate of 409L FSS
M Pa
﹒ε/ s -1
0 .01 0 .1 1 .0
950 20 .72 38 .30 66 .94
1 000 16 .99 29 .01 52 .57
T/ ℃ 1 050 15 .20 25 .40 39 .61
1 100 14 .11 20 .46 32 .17
1 试验材料和方法
试验材料为某钢厂提供的铸态 409L 铁素体不 锈钢 , 化学成分如表 1 所示 .409L 不锈钢是一种钛 稳定化铁素体不锈钢 , 其偏光组织见图 1 , 其中黑色
第 1 期 樊 丁等 :409L 铁素体不锈钢的热变形行为 · 1 3 ·
为铁素体基体 , 白点为 T i(Cຫໍສະໝຸດ Baidu, N), 经 IMAGE J 软件
计算得到 T i(C , N)所占体积分数为 1 .2 %.
表 1 409L 铁素体不锈钢的主要成分(质量分数)
Tab.1 Chemical composition of ferritic stainless steel 409L
摘要 :采用热/ 力模拟实验研究 409L 铁 素体 不锈钢 在 950 、1 000 、1 050、1 100 、1 150 ℃、应 变速 率为 0 .01、0 .1、 1 .0 s -1 , 压下量为 50%时的热变形行为 , 讨论热变形参数对流变应力的影响 .结果表明 , 409L 铁 素体不锈钢的表观 应力指 数 为 4 .06 , 热 变 形 表 观 激 活 能 为 212 kJ/ mol ;409L 铁 素 体 不 锈 钢 的 热 变 形 方 程 ﹒ε= 3.017 · 109 [ sinh (α·σp)] 4 .06 ex p(-212 000/ R T).其软化机制与 Zener- Ho llo mon(Z)参数有关 , 随着 Z 值从 6.11 ×105 增加到 1 .15×109 , 热变形峰值应力相应从 11 .71 M Pa 增加到 66.94 M Pa . 关键词 :铁素体不锈钢 ;热变形方程 ;流变应力 ;激活能 中图分类号 :TG 115 文献标识码 :A
Key words :fe rri tic stainless st eel ;hot def orm ation equatio n ;f low st ress ;act ivatio n energy
自不锈钢开发以来 , 奥氏体不锈钢一直占据主 导地位 .随着全球镍供应紧张 , 低镍或无镍的铁素体 不锈钢受到国 内外重 视 , 并在 实际中 得到 广泛 应 用[ 1] .相对于奥氏体不锈钢 , 铁素体不锈钢具有低成 本 、低热膨胀率 、耐高温氧化和优良耐蚀性的优点 , 已广泛应用于建筑 、锅炉 、热交换器 、涡轮盘 、超高临 界压发电 、餐饮设备 、室内装饰 、家用电器等领域[ 2] .
从图 2 还可以看出 , 只有变形温度为 950 ℃, 应 变速率为 0 .1 s-1 时 , 流变曲线出现明显峰值 , 然后 逐步下降进入稳定变形状态 , 曲线呈水平状态 , 即动
图 2 热变形时 409L 铁素体不锈钢的真 应力-真应变曲线 Fig.2 True stress-strain curves of hot-def ormed 409L FSS
Vo l.36 No .1 F eb.2010
409L 铁素体不锈钢的热变形行为
樊 丁1, 2 , 周 璟1 , 季根顺1 , 刘树敏1 , 张建斌1
(1 .兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料重点实验室 , 甘肃 兰州 730050 ;2 .兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室 , 甘肃 兰州 730050)
图 3 409L 铁素体不锈钢热变形典型显微组织 Fig.3 Typical microstructures of hot-deformed 409L FSS
表 2 不同热变形条件 下 409L 铁素体不锈钢的峰值应力
Tab.2 Relationship between hot deformation peak stress and
1 150 11 .71 17 .94 27 .72
(a)热变形峰值应力与应变速率的关系
根据 Fe-C r 相图 , 在 850 ～ 1 300 ℃, 409L 铁素 体不锈钢为铁素体和奥氏体 2 相共存 , 而该 2 相组 织在高温时的力学性能不同 , 铁素体较软 , 奥氏体较 硬 , 而且塑性变形机制也不同 , 铁素体在较小的塑性 变形下就会发生动态回复 , 而奥氏体只有在变形量 达到一定程度后才会发生动态再结晶 .因此 , 409L 铁素体不锈钢的真应力-真应变曲线的形状不同于 单相铁素体不锈钢和单相奥氏体不锈钢 . 2 .2 热变形方程的建立
态再结晶型 .其余变形温度 、应变速率下的流变曲线 呈逐渐上升的加工硬化型或具有一稳态的动态回复 型[ 4] .通常认为铁素体具有较高的层错能 , 高温使位 错的攀移和交滑移容易发生 , 因此铁素体只发生动
· 14 · 兰 州 理 工 大 学 学 报 第 36 卷
车排气系统用钢的要求 , 已成为汽车排气系统的首 选材料 .日本和欧美的汽车厂均从 20 世纪 80 年代 起全面使用铁素体不锈钢作为制造汽车排气系统的 材料[ 3] .
本文针 对 409L 铁素 体不 锈钢进 行热压 缩试 验 , 研究变形温度 T 、应变速率 ﹒ε等参数对热变形力 学参数的影响 , 综合分析了 409L 铁素体不锈钢的 高温热变形行为 .
(mass-fraction)
%
C 0 .015
Si 0 .44
Mn 0 .47
S
P
Cr
0 .008 0 .016 11 .62
Ti 0 .25
图 1 409L 铁素体不锈钢偏光组织 Fig.1 microstructures of polarized light of 409L FSS
压缩热变形试验在 T H ERMO RS T ER-W 热模 拟试验机上进行 , 试样尺寸为 8 mm ×12 .4 m m , 为了确保温度的均匀性 , 采用不锈钢底座及硬质合 金圆柱形压头 .试样与压头之间涂石墨粉以利于润 滑和改善形变的均匀性和稳定性 .变形温度 T =950 ～ 1 150 ℃, 应变速率分别为 0 .01 , 0 .1 , 1 .0 s-1 .以 10 ℃/ s 将试样加热到变形温度 , 保温 120 s , 然后 以不同的应变速率 ﹒ε加载至真应变 0 .65 (压下量约 为 50 %)为止 , 变形后立即水淬 .将经热变形的试样 沿轴向中心剖开 , 磨制 、抛光及腐蚀后观察显微组织 形貌 .
Hot deformation behavior of ferritic stainless steel 409L
FA N Ding1, 2 , Z H OU Jing1 , JI Gen-shun1 , LIU Shu-min1 , Z H ANG Jian-bin1
(1 .S tat e K ey Lab orat ory of G ansu A dvan ced N onferrous M etal M aterials , Lanzh ou U ni v .of Tech ., Lanz hou 730050 , Chi na;2 .K ey Lab orat ory of N onferrous M etal A lloys , T he M ini st ry of Educati on , Lanzhou U ni v.of Tech ., Lanz hou 730050 , Chi na)
2 试验结果及分析
2 .1 热变形流变曲线 图 2 为不同变形温度 、应变速率下的真应力–
真应变曲线 .从图 2a 可见 , 变形温度 950 ℃时 , 峰值 应力的变化趋势与应变速率相同 , 应变速率从 0 .01 s-1 增加到 1 .0 s-1 时 , 峰值应力也从 20 .72 M Pa 增 加到 66 .94 M Pa .应变速率一定时 , 峰值应力随着变 形温度的增大而减小 , ﹒ε=0 .1 s-1 时随着变 形温度 的升高 , 峰值应力从 38 .30 M Pa 减小到 17 .94 M Pa (图 2c).由此得知 , 应变速率越小 , 钢中的奥氏体和 铁素体发生动态回复和动态再结晶越充分 , 因而软 化过程就越显著 , 峰值应力也随之减小 .同时 , 流变 应力也随应变速率减小而下降 .表 2 列出了不同热 变形条件下 409L 不锈钢的峰值应力 .可见 , 峰值应 力随变形温度降低和应变速率增大而增加 .
DO I :10.13295/j .cnki .j lut .2010.01.020
第 36 卷 第 1 期
兰 州 理 工 大 学 学 报
2010 年 2 月
Jo urnal of Lanzho u Univ ersity of T echno lo gy
文章编号 :1673-5196(2010)01-0012-04
态回复而不 发生 动态 再结 晶[ 5] , 而当 变形 温度 为 1 150 ℃, 应变速率为 0 .01 s-1时 , 铁素体内部已经 发生了动态再结晶 , 如图 3 所示(A 处为奥氏体 , F
处为铁素体).
ln sinh(α· σp)与 ln ﹒ε呈线性关系 , 随着应变速率增 加 , 峰值应力呈线性增加 , 各个温度下的变化率几乎 是一致的 .图 4b 示出了其热变形峰值应力与变形温 度的关系 , 应变速率一定时 , 409L 不锈钢的 ln si nh (α· σp)与 10 000/ T 呈线性关系 .随着变形温度的 升高 , 热变形峰值应力逐渐减小 .
近年来 , 随着汽车工业的飞速发展 , 汽车排气系 统用材越来越受到汽车生产厂商的重视 .铁素体不 锈钢以其优良的低冷加工硬化倾向 、耐高温 、耐氯化 物应力腐蚀 、耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能满足了汽
收稿日期 :2009-06-18 作者简介 :樊 丁(1961-), 男 , 甘肃合水人 , 教授 , 博导 .
Abstract :T he ho t defo rmatio n behavio r of f errite st ainless steel 409L w as investig ated by means of ther-
m o-m echanical simulatio n test at temperature rangi ng fro m 950 ℃ t o 1150 ℃w i th strain rate of 0 .01 , 0 .1 , 1 .0 s-1 , and in condi tion of 50 % pressing-dow n rate .T he eff ect of temperature and st rai n rat e on creeping st ress of 409L at reducti on ratio 50 % w as discussed .T he result show ed t hat t he apparent st ress exponent and t he appa rent act ivatio n energy of the steel are about 4 .06 and 212 kJ/ mol , respect ively .T he hot def o rm atio n equatio n of 409L w as ﹒ε=3 .017 · 109 [ sinh (α·σp)] 4.06ex p(-212 000/ R T).Its so f tening m echanism varied w i th Zene r-H ollo mon parameter(abbreviat ed as Z).Wi th i ncreasing of Z v alue fro m 6 .11 × 105 t o 1 .15 ×109 , t he ho t defo rmatio n peak st ress increased correspondingly f rom 11 .71 M Pa to 66 .94 MPa.
strain rate of 409L FSS
M Pa
﹒ε/ s -1
0 .01 0 .1 1 .0
950 20 .72 38 .30 66 .94
1 000 16 .99 29 .01 52 .57
T/ ℃ 1 050 15 .20 25 .40 39 .61
1 100 14 .11 20 .46 32 .17
1 试验材料和方法
试验材料为某钢厂提供的铸态 409L 铁素体不 锈钢 , 化学成分如表 1 所示 .409L 不锈钢是一种钛 稳定化铁素体不锈钢 , 其偏光组织见图 1 , 其中黑色
第 1 期 樊 丁等 :409L 铁素体不锈钢的热变形行为 · 1 3 ·
为铁素体基体 , 白点为 T i(Cຫໍສະໝຸດ Baidu, N), 经 IMAGE J 软件
计算得到 T i(C , N)所占体积分数为 1 .2 %.
表 1 409L 铁素体不锈钢的主要成分(质量分数)
Tab.1 Chemical composition of ferritic stainless steel 409L
摘要 :采用热/ 力模拟实验研究 409L 铁 素体 不锈钢 在 950 、1 000 、1 050、1 100 、1 150 ℃、应 变速 率为 0 .01、0 .1、 1 .0 s -1 , 压下量为 50%时的热变形行为 , 讨论热变形参数对流变应力的影响 .结果表明 , 409L 铁 素体不锈钢的表观 应力指 数 为 4 .06 , 热 变 形 表 观 激 活 能 为 212 kJ/ mol ;409L 铁 素 体 不 锈 钢 的 热 变 形 方 程 ﹒ε= 3.017 · 109 [ sinh (α·σp)] 4 .06 ex p(-212 000/ R T).其软化机制与 Zener- Ho llo mon(Z)参数有关 , 随着 Z 值从 6.11 ×105 增加到 1 .15×109 , 热变形峰值应力相应从 11 .71 M Pa 增加到 66.94 M Pa . 关键词 :铁素体不锈钢 ;热变形方程 ;流变应力 ;激活能 中图分类号 :TG 115 文献标识码 :A
Key words :fe rri tic stainless st eel ;hot def orm ation equatio n ;f low st ress ;act ivatio n energy
自不锈钢开发以来 , 奥氏体不锈钢一直占据主 导地位 .随着全球镍供应紧张 , 低镍或无镍的铁素体 不锈钢受到国 内外重 视 , 并在 实际中 得到 广泛 应 用[ 1] .相对于奥氏体不锈钢 , 铁素体不锈钢具有低成 本 、低热膨胀率 、耐高温氧化和优良耐蚀性的优点 , 已广泛应用于建筑 、锅炉 、热交换器 、涡轮盘 、超高临 界压发电 、餐饮设备 、室内装饰 、家用电器等领域[ 2] .
从图 2 还可以看出 , 只有变形温度为 950 ℃, 应 变速率为 0 .1 s-1 时 , 流变曲线出现明显峰值 , 然后 逐步下降进入稳定变形状态 , 曲线呈水平状态 , 即动
图 2 热变形时 409L 铁素体不锈钢的真 应力-真应变曲线 Fig.2 True stress-strain curves of hot-def ormed 409L FSS
Vo l.36 No .1 F eb.2010
409L 铁素体不锈钢的热变形行为
樊 丁1, 2 , 周 璟1 , 季根顺1 , 刘树敏1 , 张建斌1
(1 .兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料重点实验室 , 甘肃 兰州 730050 ;2 .兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室 , 甘肃 兰州 730050)
图 3 409L 铁素体不锈钢热变形典型显微组织 Fig.3 Typical microstructures of hot-deformed 409L FSS
表 2 不同热变形条件 下 409L 铁素体不锈钢的峰值应力
Tab.2 Relationship between hot deformation peak stress and
1 150 11 .71 17 .94 27 .72
(a)热变形峰值应力与应变速率的关系
根据 Fe-C r 相图 , 在 850 ～ 1 300 ℃, 409L 铁素 体不锈钢为铁素体和奥氏体 2 相共存 , 而该 2 相组 织在高温时的力学性能不同 , 铁素体较软 , 奥氏体较 硬 , 而且塑性变形机制也不同 , 铁素体在较小的塑性 变形下就会发生动态回复 , 而奥氏体只有在变形量 达到一定程度后才会发生动态再结晶 .因此 , 409L 铁素体不锈钢的真应力-真应变曲线的形状不同于 单相铁素体不锈钢和单相奥氏体不锈钢 . 2 .2 热变形方程的建立