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摘要: 采用阶梯试样的方法并半定量统计了不同工艺条件下的CLAM钢的再结晶晶粒个数，确定了其再结晶百分数，绘制了CLAM钢再结晶区域图，研究了变形温度及变形量对CLAM钢的再结晶影响规律，结果表明：当变形温度小于1000℃、变形量小于10%时，奥氏体处于完全未再结晶区；当变形温度大于850℃、变形量大于75%时, 奥氏体位于完全再结晶区。
Abstract: The microstructure of the deformed austenite was observed, and the recrystallization fraction of the austenite was measured by the optical microscope, which is drawn recrystallization diagram of CLAM steel. The influence of the reduction and the temperature on the recrystallization behavior of CLAM steel achieved by stepped samples. The result indicates that, the recrystallization of austenite occurs when temperature above 850℃and reduction more than 75%, in contrast, the recrystallization of austenite does not occur at all when temperature below 1000℃and reduction less than 10%
Key Words: CLAM steel; recrystallization fraction(RF); deformation temperature (DT) ; deformation amount (ε)
關键词: CLAM钢；再结晶；变形温度；变形量
中图分类号: TG 文献标志码：A 文章编号：
0．引言
低活化铁素体/马氏体钢( RAFM 钢) 具有较高的抗辐照肿胀能力、较低的线膨胀系数以及较高的热导率等优良的热物理和力学性能，被认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料，世界各国均在发展和研究各自的RAFM 钢[1-3]． 中国低活化马氏体( CLAM) 钢是RAFM 钢的一种，经过近几年的发展，性能与国外发展多年的RAFM 钢( 如EUROFER97 和JLF-1 等) 相当，被确定为中国参加国际热核聚变试验堆( ITER) 计划试验包层模块( TBM) 的结构材料[4-7]．RAFM钢在未来核聚变中服役时，环境较目前的核裂变更加恶劣，除核辐照强度更高外，服役温度也更高，尽管高温有利于材料的辐照缺陷的回复和消失，但长时间的高温条件服役，组织结构由于热力学原因会自发演变，从而影响材料的力学性能。因此研究该类材料在高温条件下的组织演变规律对于候选材料RAFM钢在示范堆中的安全应用具有十分重要的意义。
CLAFM钢不但要求有较高的耐压强度，而且要求具有较高的韧性和优良的焊接性能，核辐照条件对高温条件下的组织演变有促进作用，但核辐照条件不易获得，且辐照后的试样分析困难。因此本文主要研究了CLAFM钢轧制过程中温度及变形量对该钢种再结晶规律的影响，为现场生产工艺提供理论依据。
1．实验材料及方法
实验用钢为实验室冶炼的中国低活化马氏体钢铸坯，其化学成分如表1所示。轧制过程中通过采用不同的变形量、变形温度来确定各个参数对奥氏体再结晶程度和晶粒尺寸的影响规律。为了简化工艺，能够通过一次轧制而获得不同的变形量对实验用钢奥氏体的再结晶规律，实验采用阶梯形试样，尺寸如图1所示。阶梯形试样共计为7个，变形量分别为：10％、20％、30％、50％、60％70％和80％将试样加热到1200℃，并保温30min 奥氏体化，然后依次冷却至1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、850℃进行变形，轧后试样立即淬火以保留原始奥氏体组织的形貌。具体实验方案如图2所示。
所有轧后试样均沿着轧制中心线纵向切开，再切取每一个台阶。将沿着轧制方向的面磨光后制成金相试样，用过饱和苦味酸水溶液加入少量洗涤剂（比例约为5：1）在60～80℃左右进行热浸蚀，以显示原奥氏体的晶界，在光学显微镜和图象分析仪下用定量金相法观察和测定奥氏体晶粒大小及奥氏体再结晶百分数。
表1中国低活化马氏体钢化学成分 Wt.%
Table 1 Chemical composition of CLAM (wt.%)
图1 用于实验的梯形试样
Fig. 1 Specification of stepped test sample
图2 再结晶规律研究具体实验方案示意图
Fig. 2 Schematic iuustration of hot deformation simulation
2．实验结果与讨论
2.1变形量对奥氏体再结晶百分数的
影响
图3变形量对奥氏体再结晶数量的影响
Fig.3 Influences of reduction on the recrystallization fraction
如图3所示为变形量对CLAM钢变形奥氏体再结晶的影响规律，从图中可以看出在轧制温度一定的条件下奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加而增加。当ε≤30%时，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加而缓慢升高；当30%≤ε≤50%时，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加而急剧增加；当ε≥60%时，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加又变得缓慢。变形温度低时再结晶百分数随变形量的变化较缓慢, 当达到某一特定变形温度时, 再结晶百分数急剧上升, 然后趋于平缓。变形温度较高时，变形量不需太大奥氏体再结晶百分数就能达到较高的水平，而当变形温度较低时，则需要更大的变形量才能够达到同一奥氏体再结晶百分数。图4为不同的再结晶温度下，变形量分别为30%和60%时的CLAM钢的金相照片。
图4CLAM钢不同变形量与温度的再结晶金相照片
Fig.5 Metallograph structure of recrystllization on DT=1050℃～850℃, ε=30%ε= 60%
(a)DT=1050℃ε= 30% (b) DT=1150℃ε=60% (c) DT=1050℃ε= 30% (c) DT=1050℃ε= 60%
(a)DT=950℃ε= 30% (b) DT=950℃ε=60% (c) DT=850℃ε= 30% (c) DT=850℃ε= 60%
当奥氏体再结晶百分数达到80%以上，认为组织为完全再结晶，这种规律产生的主要原因是当除温度及变形量以外其它工艺参数一定时, 再结晶百分数主要取决于再结晶形核速率和长大速度。当温度一定时，形核率和长大速度都与变形量有关, 变形量增加时，晶粒变形加剧, 内部出现大量的变形带, 发生再结晶时, 在晶界上和在晶粒内的变形带上形成大量的形核点, 从而形核率增加。另外变形温度低时再结晶百分数随相对变形量的变化较缓慢, 当达到某一特定变形温度时, 再结晶百分数急剧上升, 然后趋于平缓。变形量对变形奥氏体再结晶百分数的影响与变形温度有很大关系。变形温度较高时，变形量不需太大奥氏体再结晶百分数就能达到较高的水平，而当变形温度较低时，则需要更大的变形量才能够达到同一奥氏体再结晶百分数。
2.2变形温度对再结晶百分数的影响规律
變形温度对CLAM钢奥氏体再结晶的影响规律图5所示奥氏体再结晶百分数随着变形温度的升高而增加。当10%≤ε≤20%时，再结晶百分数不大；当ε=30%时，此时由于变形量不大，温度起主导作用，从而再结晶百分数随着温度的迅速增加；当50%≤ε≤70%时，当变形温度>900℃时，再结晶百分数随变形温度的增加而缓慢增加，这说明大的变形量使畸变能明显增加,奥氏体再结晶形核部位显著增多,形核速度明显加快,变形奥氏体再结晶数量增多，变形量起主导作用，而变形温度起次要作用，使得奥氏体再结晶百分数随变形温度的变化呈现上述规律。
图5 变形温度对奥氏体再结晶数量的影响
Fig.5 Influences of reduction on the recrystallization fraction
2.3 CLAM钢的再结晶区域图
图6中变形奥氏体再结晶百分数小于20%和大于80%作为判别未再结晶区、部分再结晶区和完全再结晶区的标准。当变形温度小于1000℃、变形量小于10%时，奥氏体进入完全未再结晶区，即6中a线以下的区域，金相组织(如图4 (g))。当变形温度大于850℃、变形量大于75%时, 奥氏体进入完全再结晶区即图6中b线以上的区域，在此温度和变形量的范围内，形成奥氏体晶粒细小均匀的组织(如图4 (b)(d)(f))。在a 线与b 线之间为变形奥氏体的部分再结晶区，在此区间形成奥氏体晶粒大小不均的组织状态(如图 4(a)(c)(e)(h))，这种混晶组织对CLAM钢的力学性能有很大影响，降低了CLAM钢的综合性能，在CLAM钢生产中应该避免混晶组织的出现。
图6 CLAM钢的再结晶区域图
Fig.6 Recrystallization diagram of CLAM steel
3 结论
1) 利用实验轧机聚变堆用中国低活化马氏体钢铸坯进行变形，研究了不同变形量和变形温度对CLAM钢奥氏体再结晶规律的影响，并确定所研究钢种的再结晶区域图，为合理确定轧制工艺控制参数提供依据。
2) 在相同的变形温度条件下，奥氏体再结晶数量随变形量的增加而增加。并且，在一定的变形量范围内（ε=20%~45%之间），热变形奥氏体再结晶数量急剧上升，当变形量增加到一定程度后，奥氏体再结晶数量的变化趋于平缓。
3) 在变形量一定的前提下，随着变形温度的升高，奥氏体再结晶百分数增加，增加的趋势与变形量的大小有关。当变形量ε=30%时，需要很高的变形温度（t >950℃），奥氏体再结晶的百分数才有明显的增加。当变形量较大时，变形温度较低就能使奥氏体再结晶百分数达到很高，并且随着变形温度的升高，奥氏体再结晶百分数缓慢增加。
4) 当变形温度小于1000℃、变形量小于10%时，奥氏体处于完全未再结晶区；当变形温度大于850℃、变形量大于75%时, 奥氏体位于完全再结晶区。
参考文献
[1] Hishinuma A, Kohyama A, Klueh R L, et al．Current status and future R & D for reduced-activation ferritic /martensitic steels[J]. Journal of Nuclear Materials. 1998(258-263):193-204．
[2] 姜志忠， 黄继华， 陈树海， 巨新.聚变堆用CLAM 钢电子束焊接接头显微组织转变与力学性能.焊接学报.32,3(2011)45-48.
[3] 李艳芬,黄群英, 吴宜灿. CLAM钢冲击和拉伸性能测试与研究. 原子核物理评论.2006, 23 (2)151-154.
[4] Yu J, Huang Q, Wan F. Research and development on the China low activation martensitic steel [J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(367-370): 97-101．
[5] Li Y，Huang Q，Wu Y，et al．Mechanical properties and microstructures of China low activation martensitic steel compared with JLF-1[J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(117-121):367-370．
[6] Huang Q，Li C，Li Y，et al． Progress in development of China low activation martensitic steel for fusion application[J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(367-370):142-146．
[7] Huang Q，Wu Y，Li J，et al． Status and strategy of fusion materials development in China[J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(386-388):400-404．
Abstract: The microstructure of the deformed austenite was observed, and the recrystallization fraction of the austenite was measured by the optical microscope, which is drawn recrystallization diagram of CLAM steel. The influence of the reduction and the temperature on the recrystallization behavior of CLAM steel achieved by stepped samples. The result indicates that, the recrystallization of austenite occurs when temperature above 850℃and reduction more than 75%, in contrast, the recrystallization of austenite does not occur at all when temperature below 1000℃and reduction less than 10%
Key Words: CLAM steel; recrystallization fraction(RF); deformation temperature (DT) ; deformation amount (ε)
關键词: CLAM钢；再结晶；变形温度；变形量
中图分类号: TG 文献标志码：A 文章编号：
0．引言
低活化铁素体/马氏体钢( RAFM 钢) 具有较高的抗辐照肿胀能力、较低的线膨胀系数以及较高的热导率等优良的热物理和力学性能，被认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料，世界各国均在发展和研究各自的RAFM 钢[1-3]． 中国低活化马氏体( CLAM) 钢是RAFM 钢的一种，经过近几年的发展，性能与国外发展多年的RAFM 钢( 如EUROFER97 和JLF-1 等) 相当，被确定为中国参加国际热核聚变试验堆( ITER) 计划试验包层模块( TBM) 的结构材料[4-7]．RAFM钢在未来核聚变中服役时，环境较目前的核裂变更加恶劣，除核辐照强度更高外，服役温度也更高，尽管高温有利于材料的辐照缺陷的回复和消失，但长时间的高温条件服役，组织结构由于热力学原因会自发演变，从而影响材料的力学性能。因此研究该类材料在高温条件下的组织演变规律对于候选材料RAFM钢在示范堆中的安全应用具有十分重要的意义。
CLAFM钢不但要求有较高的耐压强度，而且要求具有较高的韧性和优良的焊接性能，核辐照条件对高温条件下的组织演变有促进作用，但核辐照条件不易获得，且辐照后的试样分析困难。因此本文主要研究了CLAFM钢轧制过程中温度及变形量对该钢种再结晶规律的影响，为现场生产工艺提供理论依据。
1．实验材料及方法
实验用钢为实验室冶炼的中国低活化马氏体钢铸坯，其化学成分如表1所示。轧制过程中通过采用不同的变形量、变形温度来确定各个参数对奥氏体再结晶程度和晶粒尺寸的影响规律。为了简化工艺，能够通过一次轧制而获得不同的变形量对实验用钢奥氏体的再结晶规律，实验采用阶梯形试样，尺寸如图1所示。阶梯形试样共计为7个，变形量分别为：10％、20％、30％、50％、60％70％和80％将试样加热到1200℃，并保温30min 奥氏体化，然后依次冷却至1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、850℃进行变形，轧后试样立即淬火以保留原始奥氏体组织的形貌。具体实验方案如图2所示。
所有轧后试样均沿着轧制中心线纵向切开，再切取每一个台阶。将沿着轧制方向的面磨光后制成金相试样，用过饱和苦味酸水溶液加入少量洗涤剂（比例约为5：1）在60～80℃左右进行热浸蚀，以显示原奥氏体的晶界，在光学显微镜和图象分析仪下用定量金相法观察和测定奥氏体晶粒大小及奥氏体再结晶百分数。
表1中国低活化马氏体钢化学成分 Wt.%
Table 1 Chemical composition of CLAM (wt.%)
图1 用于实验的梯形试样
Fig. 1 Specification of stepped test sample
图2 再结晶规律研究具体实验方案示意图
Fig. 2 Schematic iuustration of hot deformation simulation
2．实验结果与讨论
2.1变形量对奥氏体再结晶百分数的
影响
图3变形量对奥氏体再结晶数量的影响
Fig.3 Influences of reduction on the recrystallization fraction
如图3所示为变形量对CLAM钢变形奥氏体再结晶的影响规律，从图中可以看出在轧制温度一定的条件下奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加而增加。当ε≤30%时，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加而缓慢升高；当30%≤ε≤50%时，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加而急剧增加；当ε≥60%时，奥氏体再结晶百分数随着变形量的增加又变得缓慢。变形温度低时再结晶百分数随变形量的变化较缓慢, 当达到某一特定变形温度时, 再结晶百分数急剧上升, 然后趋于平缓。变形温度较高时，变形量不需太大奥氏体再结晶百分数就能达到较高的水平，而当变形温度较低时，则需要更大的变形量才能够达到同一奥氏体再结晶百分数。图4为不同的再结晶温度下，变形量分别为30%和60%时的CLAM钢的金相照片。
图4CLAM钢不同变形量与温度的再结晶金相照片
Fig.5 Metallograph structure of recrystllization on DT=1050℃～850℃, ε=30%ε= 60%
(a)DT=1050℃ε= 30% (b) DT=1150℃ε=60% (c) DT=1050℃ε= 30% (c) DT=1050℃ε= 60%
(a)DT=950℃ε= 30% (b) DT=950℃ε=60% (c) DT=850℃ε= 30% (c) DT=850℃ε= 60%
当奥氏体再结晶百分数达到80%以上，认为组织为完全再结晶，这种规律产生的主要原因是当除温度及变形量以外其它工艺参数一定时, 再结晶百分数主要取决于再结晶形核速率和长大速度。当温度一定时，形核率和长大速度都与变形量有关, 变形量增加时，晶粒变形加剧, 内部出现大量的变形带, 发生再结晶时, 在晶界上和在晶粒内的变形带上形成大量的形核点, 从而形核率增加。另外变形温度低时再结晶百分数随相对变形量的变化较缓慢, 当达到某一特定变形温度时, 再结晶百分数急剧上升, 然后趋于平缓。变形量对变形奥氏体再结晶百分数的影响与变形温度有很大关系。变形温度较高时，变形量不需太大奥氏体再结晶百分数就能达到较高的水平，而当变形温度较低时，则需要更大的变形量才能够达到同一奥氏体再结晶百分数。
2.2变形温度对再结晶百分数的影响规律
變形温度对CLAM钢奥氏体再结晶的影响规律图5所示奥氏体再结晶百分数随着变形温度的升高而增加。当10%≤ε≤20%时，再结晶百分数不大；当ε=30%时，此时由于变形量不大，温度起主导作用，从而再结晶百分数随着温度的迅速增加；当50%≤ε≤70%时，当变形温度>900℃时，再结晶百分数随变形温度的增加而缓慢增加，这说明大的变形量使畸变能明显增加,奥氏体再结晶形核部位显著增多,形核速度明显加快,变形奥氏体再结晶数量增多，变形量起主导作用，而变形温度起次要作用，使得奥氏体再结晶百分数随变形温度的变化呈现上述规律。
图5 变形温度对奥氏体再结晶数量的影响
Fig.5 Influences of reduction on the recrystallization fraction
2.3 CLAM钢的再结晶区域图
图6中变形奥氏体再结晶百分数小于20%和大于80%作为判别未再结晶区、部分再结晶区和完全再结晶区的标准。当变形温度小于1000℃、变形量小于10%时，奥氏体进入完全未再结晶区，即6中a线以下的区域，金相组织(如图4 (g))。当变形温度大于850℃、变形量大于75%时, 奥氏体进入完全再结晶区即图6中b线以上的区域，在此温度和变形量的范围内，形成奥氏体晶粒细小均匀的组织(如图4 (b)(d)(f))。在a 线与b 线之间为变形奥氏体的部分再结晶区，在此区间形成奥氏体晶粒大小不均的组织状态(如图 4(a)(c)(e)(h))，这种混晶组织对CLAM钢的力学性能有很大影响，降低了CLAM钢的综合性能，在CLAM钢生产中应该避免混晶组织的出现。
图6 CLAM钢的再结晶区域图
Fig.6 Recrystallization diagram of CLAM steel
3 结论
1) 利用实验轧机聚变堆用中国低活化马氏体钢铸坯进行变形，研究了不同变形量和变形温度对CLAM钢奥氏体再结晶规律的影响，并确定所研究钢种的再结晶区域图，为合理确定轧制工艺控制参数提供依据。
2) 在相同的变形温度条件下，奥氏体再结晶数量随变形量的增加而增加。并且，在一定的变形量范围内（ε=20%~45%之间），热变形奥氏体再结晶数量急剧上升，当变形量增加到一定程度后，奥氏体再结晶数量的变化趋于平缓。
3) 在变形量一定的前提下，随着变形温度的升高，奥氏体再结晶百分数增加，增加的趋势与变形量的大小有关。当变形量ε=30%时，需要很高的变形温度（t >950℃），奥氏体再结晶的百分数才有明显的增加。当变形量较大时，变形温度较低就能使奥氏体再结晶百分数达到很高，并且随着变形温度的升高，奥氏体再结晶百分数缓慢增加。
4) 当变形温度小于1000℃、变形量小于10%时，奥氏体处于完全未再结晶区；当变形温度大于850℃、变形量大于75%时, 奥氏体位于完全再结晶区。
参考文献
[1] Hishinuma A, Kohyama A, Klueh R L, et al．Current status and future R & D for reduced-activation ferritic /martensitic steels[J]. Journal of Nuclear Materials. 1998(258-263):193-204．
[2] 姜志忠， 黄继华， 陈树海， 巨新.聚变堆用CLAM 钢电子束焊接接头显微组织转变与力学性能.焊接学报.32,3(2011)45-48.
[3] 李艳芬,黄群英, 吴宜灿. CLAM钢冲击和拉伸性能测试与研究. 原子核物理评论.2006, 23 (2)151-154.
[4] Yu J, Huang Q, Wan F. Research and development on the China low activation martensitic steel [J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(367-370): 97-101．
[5] Li Y，Huang Q，Wu Y，et al．Mechanical properties and microstructures of China low activation martensitic steel compared with JLF-1[J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(117-121):367-370．
[6] Huang Q，Li C，Li Y，et al． Progress in development of China low activation martensitic steel for fusion application[J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(367-370):142-146．
[7] Huang Q，Wu Y，Li J，et al． Status and strategy of fusion materials development in China[J]. Journal of Nuclear Materials. 2007(386-388):400-404．