奧氏體不銹鋼熱變形過程中的塑性失穩(wěn)研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼在熱變形過程中會(huì)發(fā)生不均勻應(yīng)變，這種應(yīng)變集中在某一個(gè)區(qū)域會(huì)引起應(yīng)變局部化，造成工件表面的局部幾何失穩(wěn)，甚至開裂。本文以Cr17Mn6Ni4Cu2N、Cr15Mn9Cu2Ni1N和304奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，首先利用高溫拉伸實(shí)驗(yàn)和高溫拉伸卸載實(shí)驗(yàn)，結(jié)合用戶自定義奧氏體不銹鋼熱變形材料模型的有限元分析方法，研究了高溫變形條件下，奧氏體不銹鋼的拉伸失穩(wěn)特征，以及表面應(yīng)變局部化的發(fā)展、演變機(jī)制;然后，利用改變變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)

2、力狀態(tài)的熱變形實(shí)驗(yàn)，研究變形條件對(duì)幾何失穩(wěn)以及應(yīng)變局部化演變的影響規(guī)律。認(rèn)識(shí)了高溫拉伸奧氏體不銹鋼的幾何失穩(wěn)過程及機(jī)制;獲得了不同應(yīng)力狀態(tài)下奧氏體不銹鋼的幾何失穩(wěn)軌跡;提出了高溫變形應(yīng)變局部化的演變模型;確定了與變形條件相關(guān)的材料參數(shù)與幾何失穩(wěn)應(yīng)變的關(guān)系，給出了降低熱變形應(yīng)變局部化的加工條件。
　　高溫變形條件下，奧氏體不銹鋼的應(yīng)變速率敏感性增大，使其在單軸拉伸變形過程中表現(xiàn)出了載荷失穩(wěn)與幾何失穩(wěn)不同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。同樣，也因?yàn)閼?yīng)變

3、速率敏感性的作用，載荷失穩(wěn)后，試樣上形成的應(yīng)變速率增大，變形抗力增加，抑制了潛在幾何失穩(wěn)區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，變形轉(zhuǎn)移向其它位置，維持了試樣的均勻變形，延遲了幾何失穩(wěn)的發(fā)生。
　　幾何失穩(wěn)的發(fā)生與應(yīng)變局部化區(qū)的最大長(zhǎng)度Lmax和最大深度dmax有關(guān)。950℃拉伸試樣幾何失穩(wěn)時(shí)的Lmax和dmax分別達(dá)到9.8mm和0.56mm;1150℃拉伸試樣幾何失穩(wěn)的Lmax和dmax分別達(dá)到11.1mm和0.82mm。受變形量和變形溫度的影響，高

4、溫拉伸變形奧氏體不銹鋼表面應(yīng)變局部化區(qū)的數(shù)目、最大長(zhǎng)度以及最大深度都在不斷地變化。變形量增加，其數(shù)目先增大后減小，最大長(zhǎng)度Lmax和最大深度dmax都增大;變形溫度降低，其數(shù)目減少，但最大長(zhǎng)度Lmax增大，最大深度dmax減小。
　　高溫拉伸變形奧氏體不銹鋼表面存在“活躍”的和“休眠”的兩種應(yīng)變局部化區(qū)。應(yīng)變局部化的演變，實(shí)質(zhì)上是就是“活躍”區(qū)分裂、合并鄰近“休眠”區(qū)的過程。溫度越高，這種分裂、合并的能力增強(qiáng)。以兩個(gè)“活躍”區(qū)同時(shí)

5、競(jìng)爭(zhēng)合并“休眠”區(qū)建立的應(yīng)變局部化演變模型，表明在應(yīng)變速率敏感性的作用下，哪一個(gè)“活躍”區(qū)能對(duì)周圍的“休眠”區(qū)進(jìn)行合并，取決于這兩個(gè)區(qū)域變形抗力的大小，變形抗力越大其合并能力越強(qiáng)。同時(shí)，變形抗力的大小由應(yīng)變局部化區(qū)的橫截面積和在同一時(shí)間內(nèi)截面積的減小量決定。
　　在950-1200℃溫度范圍內(nèi)，溫度升高奧氏體不銹鋼的幾何失穩(wěn)應(yīng)變?cè)龃?，?.01-10s-1的應(yīng)變速率范圍內(nèi)，應(yīng)變速率降低，奧氏體不銹鋼的幾何失穩(wěn)應(yīng)變?cè)龃?。分析材料參?shù)

6、與失穩(wěn)應(yīng)變的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)加工硬化指數(shù)n控制了載荷失穩(wěn)應(yīng)變，應(yīng)變速率敏感性系數(shù)m控制了載荷失穩(wěn)到幾何失穩(wěn)階段的應(yīng)變。載荷失穩(wěn)到幾何失穩(wěn)階段的應(yīng)變是幾何失穩(wěn)應(yīng)變的主要構(gòu)成，且隨m值增大而增大。幾何失穩(wěn)應(yīng)變與材料參數(shù)n、 m的關(guān)系為εi=an+bnm，其中，an=-0.153+1.268n，bn=4.167+5.389n。n、m值與載荷失穩(wěn)應(yīng)變和載荷失穩(wěn)到幾何失穩(wěn)階段應(yīng)變的關(guān)系分別為εn=en-1，εi-εn=an+bnm-en-1。
　

7、　應(yīng)變速率改變了幾何失穩(wěn)的形式，在0.1-2.5 s-1的應(yīng)變速率范圍內(nèi)，幾何失穩(wěn)是載荷失穩(wěn)和幾何失穩(wěn)相分離的形式，而在10 s-1時(shí)變?yōu)閹缀问Х€(wěn)和載荷失穩(wěn)同時(shí)發(fā)生。應(yīng)變速率也改變了奧氏體不銹鋼應(yīng)變局部化的演變過程機(jī)制，隨著應(yīng)變速率的增大，由同時(shí)存在幾個(gè)“活躍”區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)對(duì)“休眠”局部化區(qū)域合并，轉(zhuǎn)變?yōu)橹淮嬖谖ㄒ坏摹盎钴S”應(yīng)變局部化區(qū)域合并“休眠”應(yīng)變局部化區(qū)域。分析應(yīng)變速率影響的材料性能發(fā)現(xiàn)，奧氏體不銹鋼在低應(yīng)變速率下既存在應(yīng)變強(qiáng)化又存

8、在應(yīng)變速率強(qiáng)化，而在較高應(yīng)變速率下，只存在應(yīng)變強(qiáng)化。
　　不同應(yīng)力三軸度η和Lode參數(shù)μσ下，奧氏體不銹鋼的幾何失穩(wěn)軌跡表明，幾何失穩(wěn)應(yīng)變隨η值和μσ值的增大，先增大后減小，最大的幾何失穩(wěn)應(yīng)變并不出現(xiàn)在單軸拉伸條件下，與材料所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。幾何失穩(wěn)應(yīng)變隨η和μσ值的增大而減小是試樣缺口中心和邊部受力和變形的差異性加劇的結(jié)果。應(yīng)力三軸度η值和Lode參數(shù)μσ的增大，使奧氏體不銹鋼的幾何失穩(wěn)形式由載荷失穩(wěn)與幾何失穩(wěn)分離轉(zhuǎn)變?yōu)檩d荷

9、失穩(wěn)和幾何失穩(wěn)同時(shí)發(fā)生;也使缺口作為應(yīng)變局部化區(qū)表現(xiàn)出的活躍性逐漸降低，由能夠作為“活躍”應(yīng)變局部化區(qū)域不斷合并缺口以外其它應(yīng)變局部化區(qū)域的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄔ谌笨趦?nèi)部的“活躍”應(yīng)變局部化區(qū)或者幾何失穩(wěn)區(qū)。
　　本文對(duì)奧氏體不銹鋼在高溫變形條件下的幾何失穩(wěn)過程和應(yīng)變局部化演變機(jī)制進(jìn)行了全面的研究與分析，為認(rèn)識(shí)材料的高溫塑性失穩(wěn)提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù);提出在1000-1150℃溫度范圍和0.1-2.5s-1的應(yīng)變速率范圍對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行