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从中国不锈钢高速发展的态势及镍资源极为匮乏的现状来看,研究、开发并推广应用高性能节镍型铁素体不锈钢以替代部分铬镍系奥氏体不锈钢是保证中国不锈钢产业持续、良性发展的一个非常紧迫和重要的方向。目前,超纯中铬铁素体不锈钢已在厨具、家电、汽车、建筑、装饰和化工等领域得到广阔应用,并在诸多应用领域已取代部分奥氏体不锈钢。但其在使用中仍面临有:(r)值相对较低、表面起皱严重且易于形成“吕德斯带”等导致的成形性能及表面质量尚需改善和韧脆转变温度高、室温及低温韧性差等一些亟待解决的关键问题。针对以上问题,本文围绕超纯中铬铁素体不锈钢的热变形行为、织构演变规律、析出相对再结晶织构的作用机制、析出相对屈服行为的影响机理及韧脆转变机制进行系统研究。本文的主要工作和研究成果如下: (1)分析了超纯中铬铁素体不锈钢的热变形行为,明确了热变形过程中的显微组织演变特征及析出行为变化规律。通过引入变形程度的补偿,修正了热变形流变应力本构方程。结果表明,超纯中铬铁素体不锈钢的热变形软化机制与变形温度密切相关。在较高变形温度下,发生有连续动态再结晶但流变应力并未降低;在较低变形温度下,仅仅发生动态回复并未有新晶粒的形成。随着变形温度的降低及变形程度的增加,热变形组织细化。对于添加Ti、V的超纯中铬铁素体不锈钢,热变形过程中形成的析出相以TiC为主。并随着变形温度的降低,析出相尺寸更加细小且分布更加弥散。 (2)明确了超纯中铬铁素体不锈钢沿厚度方向各层织构的演变规律,揭示了热轧工艺对织构演变及成形性能的影响规律,阐明了γ-纤维再结晶织构的形成机制。在热轧板,表层以剪切织构组分为主;半厚度及中心层以α和γ-纤维织构为主,这归因于热轧过程中各层不同的应力状态。热轧退火后,表层仍以剪切织构组分为主;半厚度及中心层以α或γ-纤维织构为主。冷轧后,{110)剪切织构组分转向α和γ-纤维组分,各层均以α和γ-纤维织构为主。最终,退火后各层均以γ-纤维再结晶织构为主。 通过调整热轧工艺,实现了织构演变规律的控制,尤其在半厚度和中心层。传统工艺条件下,热轧板及相应退火板的半厚度及中心层均以较强的α-纤维织构为主。冷轧后仍以较强的α-纤维织构为主,并伴有较弱的主要组分集中在{111}<110>的γ-纤维织构,最终得到不均匀γ-纤维再结晶织构。“温轧”工艺条件下,热轧板半厚度及中心层以弱化的α-纤维织构及强化的γ-纤维织构为主,导致形成以{111}<112>为主要组分的热轧退火织构。冷轧后α-纤维织构和主要组分集中在{111}<112>的γ-纤维织构均得到强化,最终得到均匀γ-纤维再结晶织构,从而改善冷轧退火板的成形性能。结果表明,传统工艺条件下超纯中铬铁素体不锈钢γ-纤维再结晶织构的形成是由“取向形核”机制决定,而“温轧”工艺条件下是“取向形核”机制和“选择性生长”机制共同作用的结果。 (3)基于超纯中铬铁素体不锈钢析出相特征的控制,分析了析出相对再结晶行为及成形性能的影响规律,澄清了析出相对再结晶织构的作用机制。热轧过程中形成的不同析出相尺寸及分布可经冷轧及退火后遗传至冷轧退火板。细小、弥散的析出相通过钉扎位错,抑制小角度晶界的形成和亚晶的长大,不利于再结晶晶核的形成;有助于随机取向晶粒的形核,不利于γ-纤维取向再结晶晶核的形成;阻碍晶界迁移,不利于再结晶晶粒的长大及吞并周围再结晶晶粒,最终弱化γ-纤维再结晶织构,恶化冷轧退火板的成形性能。与之相反,析出相粗大且稀疏的冷轧退火板具有相对强化的γ-纤维再结晶织构。热轧过程中形成的析出相的促进随机取向晶粒形核作用和钉扎作用是控制超纯中铬铁素体不锈钢再结晶织构的重要因素。 (4)揭示了超纯中铬铁素体不锈钢的屈服行为、析出相及加工工艺三者之间的联系,阐述了析出相对冷轧退火板屈服行为的影响机理。采用950℃退火处理后缓冷至室温时,冷轧退火板在拉伸过程中存在大约2%的吕德斯应变;采用950℃退火处理后750℃保温并快冷至室温时,发生连续屈服。经TEM观察发现,对于前者,晶粒内部及晶界附近存在Nb(C,N)及粗大Laves相(Fe,Cr)2Nb;对于后者,Nb(C,N)形成于晶粒内部及晶界上且并未发现(Fe,Cr)2Nb。在退火过程中Laves相的形成促使细小Nb(C,N)周围Nb的缺乏,从而导致Nb(C,N)溶解,释放间隙原子,形成Cottrell气团。 (5)研究了形变孪晶与超纯中铬铁素体不锈钢韧脆转变行为间关系,提出了超纯中铬铁素体不锈钢韧脆转变机制,揭示了轧制工艺对低温韧性的影响规律。较高含量的Cr和Mo、相对较低的温度及较高的应变速率将促使超纯中铬铁素体不锈钢在冲击过程中形成孪生系为{112}<111>的形变孪晶。在冲击断裂过程中,微裂纹优先在形变孪晶的尖端萌生,并择优沿孪晶界扩展,导致微裂纹的相互连接、聚合及主裂纹的形成。随后,主裂纹将通过其尖端附近微裂纹的增长和聚合实现自身扩展,最终导致韧脆转变的发生。影响形变孪晶形成温度的因素将影响铁素体不锈钢的韧脆转变温度。采用温轧工艺后组织显著细化,导致孪生发生的温度降低,从而降低韧脆转变温度、改善韧性。