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热变形加工在金属材料的加工过程中具有举足轻重的作用。对材料热加工特性的研究是制定合理而正确的热加工工艺的理论依据。本论文通过热模拟试验研究了高氮奥氏体不锈钢1Cr22Mn15N(0.56%N)的热加工性能,并与目前普遍使用的奥氏体不锈钢304LN(0.11%N)和氮含量较高的1Cr22Mn15N1(1.08%N)钢作了对比。
采用单道次轴向压缩试验得到了不同钢种的真应力-真应变曲线。研究结果表明,在热变形过程中,氮含量使流变应力显著增加。氮含量越高,变形过程中的流变应力越大,应力-应变曲线所达到的峰值应力也越大。与304LN奥氏体钢相比,含0.56%N的1Cr22Mn15N钢的峰值应力在应变速率分别为0.1、1、10、42s<-1>的条件下,分别增加50~80%、30~55%、30~40%和20~25%;含1.08%N的1Cr22Mn15N1钢的峰值应力比含0.56%N的1Cr22Mn15N钢进一步增加30-70%(随变形条件而变化)。相应地,含0.56%N的1Cr22Mn15N钢高温热塑性比304LN显著下降,因而导致其变形过程中裂纹敏感性增加。
含0.56%N的1Cr22Mn15N钢真应力-应变曲线均呈现加工硬化+动态回复+动态再结晶类型。N作为间隙固溶强化元素,显著提高热变形过程中的形变激活能。氮含量增加,热变形过程中启动动态再结晶的临界应变量减小。在本试验所采用的较大范围的变形工艺条件下,即应变速率在0.1~42s<-1>、变形温度在1200~900℃之间,1Cr22Mn15N钢启动动态再结晶的临界应变量在0.18~0.3的小范围内变化,表明此钢容易启动动态再结晶机制,且动态再结晶的启动对变形工艺不敏感。
应用金相显微镜、透射电镜和电子背散射分析等技术对1Cr22Mn15N钢不同变形工艺下喷水冷却的样品进行了组织结构分析。结果表明,含0.56%N的1Cr22Mn15N在1000℃以上、小于0.1s<-1>的变形条件下可以发生明显的动态再结晶。在较低温变形时,如900℃,也同样观察到了再结晶晶粒。1Cr22Mn15N钢在1050℃以上变形时,再结晶进程很快,短时间内通过包括亚动态、静态再结晶机制在内的再结晶过程获得高于60%的再结晶体积分数。快速的再结晶过程有助于高氮钢1Cr22Mn15N热变形过程中变形抗力的降低和热塑性的改善。对再结晶奥氏体晶粒尺寸的分析表明,高氮钢可以通过热变形奥氏体的再结晶获得显著细化的奥氏体晶粒。
本研究针对含0.56%N的1Cr22Mn15N,建立了热变形本构方程;确立了描述其发生动态再结晶过程的数学模型,包括发生动态再结晶的临界应变、完全动态再结晶晶粒尺寸、动态再结晶动力学方程。并且建立描述其流变应力随变形工艺参数变化的数学模型,由模型预测的曲线与试验测得的曲线符合得很好。