低層錯能奧氏體鋼的變形硬化特點 來源：材料工程1999 作者： 發表時間：2009-12-09 09:39:16 材料工程1999 亞穩態的奧氏體不銹鋼和TRIP鋼在低溫下拉伸應力-應變曲線硬化階段呈S形1，2，應力應變曲線一部分出現上凹特征，其產生的原因與存在應變誘發馬氏體相變有關。研究還發現高錳鋼的低溫拉伸應力-應變曲線也存在S形特征，早期認為系應變誘發馬氏體轉變所致，但通過X射線衍射、透射電鏡觀察研究發現，高錳鋼在變形過程中并沒有應變誘發馬氏體產生，只有層錯、孿晶出現3，4。對于高錳鋼的S形曲線是如何產生的，目前還沒有很好的解釋。本文針對兩類材料硬化特征的相似性，提出硬化特征系基體硬化、(相變、孿生)行為軟化及(新相馬氏體、孿晶)結構硬化共同作用的結果。由于兩類材料均有高的硬化率、且有強度高、塑性好的特點，因此搞清楚其變形硬化機理對設計高強度、高塑性鋼具有指導意義。1實驗實驗材料為真空熔煉得到的奧氏體不銹鋼，化學成分(wt%)為C0.19,Mn2.30,Si1.01,Cr17.46,Ni7.42,Fe余。將熔煉制得的10kg鋼錠，鍛造軋制成12mm的棒材，然后加工成5mm25mm的比例試樣。試樣經1130,10min固溶處理淬入水中,獲得單一奧氏體組織。實驗在INSTRON 1341試驗機上進行。應變誘發馬氏體轉變量用D/max-3A型X射線衍射儀測量，為消除制樣時切割、機械磨光對測量的影響，磨光后試樣需電解拋光。采用JEM-200CX透射電鏡進行組織觀察與分析。高錳鋼的成分(wt%)為C1.13，Mn13.14。2實驗結果與討論2.1不銹鋼的應力-應變曲線特點不銹鋼-196低溫拉伸的應力-應變曲線如圖1，在彈塑性變形區出現緩和的應力峰值(ph,ph），峰值過后是應力跌落及應力平臺，應力平臺結束后是硬化率很高的硬化曲線，且呈S形，不同于穩定態材料（退火態低碳鋼）冪乘拋物線形。真應力-應變曲線的硬化階段早期出現上凹特征，如圖2。上凹部分后的曲線用=k+b直線逼近，其相關系數在0.99以上。圖 1奧氏體不銹鋼工程應力-應變曲線(-196)Fig.1The engineering stress-strain curve ofaustenitic stainless steel(-196)圖 2奧氏體不銹鋼硬化階段工程應力-應變曲線Fig.2The true stress-strain curve ofaustenitic stainless steel將工程應力-應變曲線上每隔1.5%的應變區間，利用Hollomon關系=kn 求得硬化指數n，發現n不是常數而是隨應變的增大呈拋物線形變化，如圖3。這些特點都與應變誘發馬氏體相變有關。圖 3不銹鋼的硬化指數n與真應變的關系Fig.3The relationship between hardeningexponent and true strain2.2應變誘發馬氏體相變與硬化特征變形早期彈塑性區可認為是奧氏體產生的形變硬化，分析已經證明：ph之前沒有馬氏體產生，ph之后產生了馬氏體。正是產生了應變誘發馬氏體消耗了部分應變能才造成了應力跌落及應力平臺1。如果沒有應變誘發馬氏體相變，奧氏體的應力-應變曲線應為拋物線形，遵循=kn 的關系式，如圖4中曲線2；但由于應變誘發馬氏體相變消耗了部分應變能，致使曲線下降，如圖4中曲線1。兩者的應力差值就是由于相變軟化造成的(當然還有新相馬氏體結構硬化的貢獻)。-的關系如圖5，隨著應變量的增加，應力差值增加，在應力平臺階段達到最大，然后又降低。馬氏體量隨著應變量的增加而增加，說明隨著馬氏體量的增加相變軟化作用在增強，當馬氏體達到一定布局后，結構硬化開始起主導作用，即應力差值反而減小。由此可將應力-應變曲線組成分為三部分即，=mh+ps +sh, 式中ps為實際應力,mh為基體硬化,ps為相變軟化,sh為結構硬化。作者按此設想用計算機進行了數值模擬，初步結果顯示按三部分合成S形曲線的合理性。顯然，相變軟化及結構硬化都與馬氏體體積分數有關，這方面的定量關系尚需進一步研究。圖 4應力差值的示意圖Fig.4Schematic of 圖 5真應力差值與真應變的關系Fig.5The relationship between and true strain2.3高錳鋼變形硬化特點高錳鋼的形變硬化，過去一直認為是在變形過程中產生了應變誘發馬氏體，直到1962年White等用X射線衍射方法(XRD)分析證實，高錳鋼在室溫到-196變形都不會出現馬氏體3。Dastur4等及劉軍海5用透射電鏡仔細分析了變形后的組織，發現只有層錯與孿晶。這樣的結果說明硬化特征與層錯、孿晶有關，而與應變誘發馬氏體相變無關。高錳鋼在-80-40的真應力-應變曲線硬化階段的早期也為上凹形5，與奧氏體不銹鋼的曲線相似。對曲線接近直線部分用=k+b逼近，其相關系數在0.99以上。據此相似性，我們認為孿生變形具有類似于相變誘發塑性的特性，孿生變形行為本身可提供軟化效應，稱作孿生誘發塑性。一般認為孿晶是脆性特征，但在這里孿生行為對塑性是有貢獻的，而孿晶結構卻具有硬化效應。兩種效應的結合當孿生軟化主導時曲線具有上凹特征。同理孿生變形行為軟化效應及孿晶結構硬化效應也與孿晶體積分數有關，應力-應變曲線也可由三部分組成，即基體硬化、孿生行為軟化及孿晶結構硬化。2.4兩類低層錯能奧氏體鋼變形、硬化的相似性及不同點2.4.1相似性不銹鋼和高錳鋼的相似性表現為：兩者的層錯能低，高錳鋼的層錯能室溫時約為50mJ/m24，本研究用的不銹鋼利用Schramm6經驗關系式，層錯能=-53+6.2Ni%+0.7Cr%+3.2Mn%+9.3Mo%，計算的為12mJ/m2，這屬于低層錯能材料，溫度越低層錯能越小；低層錯能材料的變形易出現孿晶，實驗證明兩種材料在低溫下都產生了孿晶、層錯，見圖6及文獻5；真應力應變曲線早期具有上凹特征，然后是接近于直線=k+b的關系；不管是應變誘發馬氏體還是孿晶結構都具有“網欄”狀結構，見圖7及文獻5，這樣的結構具有高的硬化率及硬化指數；馬氏體體積分數2 及孿晶體積分數7與應變的關系曲線形狀均為S形。正是這些特點的相似性才導致了兩者變形硬化特征的相似性。圖 6不銹鋼變形中出現的孿晶層錯,=2%Fig.6Stacking faults and twin formed duringdeformation of stainless steel, =2%圖 7馬氏體網籃狀結構的TEM形貌，=21%Fig.7TEM morphology of net structure ofmartensite, =21%2.4.2不同點首先奧氏體不銹鋼在-196變形后發生應變誘發馬氏體相變,而高錳鋼則沒有相變。其次由于孿生軟化與相變軟化的共同作用,奧氏體不銹鋼變形到一定階段出現軟化與硬化的動態平衡，表現為應力平臺現象；而高錳鋼則雖有孿生軟化，但很快被硬化作用所抵消，故沒有出現明顯的應力平臺現象，但相變或孿生的軟化作用使得曲線具有上凹特征。另一方面說明奧氏體的穩定性不同，奧氏體不銹鋼在變形早期也出現孿晶、層錯，但緊接著就形成馬氏體或馬氏體，奧氏體的穩定性在-196較差；而高錳鋼即使在-196形變也不發生馬氏體相變，只出現孿晶、層錯，表明奧氏體的穩定性很高。朱瑞富等認為高錳鋼的高穩定性源于Fe-Mn-C原子團中的C-Mn間的強鍵絡8。由此可知低層錯能只是面心結構發生孿生變形的一個條件，滿足此條件并不能保證奧氏體在應力作用下發生孿生變形，奧氏體的穩定性是發生孿生變形的重要條件。順便指出，孿晶的形成是隨后位錯滑移和孿生過程的障礙，起到了硬化作用；應變誘發馬氏體的形成作為第二相對位錯運動有阻礙作用，起到了硬化作用，這就是結構硬化的貢獻。正是這樣的結構硬化才導致材料高硬化率高強度；而行為軟化誘發的塑性又致使材料具有較高的塑性。3結論(1) 低層錯能奧氏體不銹鋼和高錳鋼的低溫拉伸應力-應變曲線形狀不同于低碳鋼的冪乘拋物線，而是S形，其真應力-應變曲線更接近于=k+b的關系式。(2) 應力-應變曲線出現上凹特征是由行為軟化主導與硬化共同作用的結果。當軟化作用與硬化在一定應變范圍內達到動態平衡時，還會產生應力平臺現象。(3) 高硬化率高強度來源于變形過程中的結構硬化，高塑性則由行為軟化提供。基金項目：國家自然科學基金資助項目(59771048)作者簡介：張旺峰(1965-)，男，西安交通大學在讀博士研究生。聯系地址：陜西西安西安交通大學材料學院(郵編710049)參考文獻1張旺峰，陳瑜眉，朱金華. 一種新型拉伸曲線規律研究J. 西安交通大學學報，待發表2G. B. Olson and M.Azrin. Transformation behavior of TRIP steelsJ. Metall. Trans. 1978, 9A: 7137213C. H. White and R. W. K. Honeycombe. Structureal changes during the deformation of high-purity iron-manganese-carbon alloysJ. Journal of the Iron and Steel Institute. 1962, 200: 4574664Y. N. Dastur and W. C. Leslie. Mechanism of work hardening in Hadfield manganese steelJ. Metall. Trans. 1981, 12A: 749595劉軍海.西安交通大學碩士學位論文D，19886R. E. Schramm and R. P. Reed. Stacking fault energies of seven commercial austenitic stainless steelsJ. Metal