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  通過對(duì)2205雙相不銹鋼在鑄態(tài)、鍛態(tài)下流變曲線與組織的分析，研究了組織對(duì)熱加工性能，特別是流變行為、變形抗力及失效特征的影響，討論了雙相不銹鋼熱加工開裂的機(jī)理及其影響因素。結(jié)果表明:在相同的熱變形條件下，鍛態(tài)材料較鑄態(tài)材料具有良好的熱加工性能，流變曲線上呈現(xiàn)出的“穩(wěn)態(tài)區(qū)”更明顯，開裂情況也得到顯著改善，但變形抗力有所增加。兩相不同的變形機(jī)制及初始K-S取向關(guān)系、硬且粗大帶尖角的奧氏體的不均勻分布是造成雙相不銹鋼熱加工開裂的重要因素。

  雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體兩相組織，使其兼有奧氏體的優(yōu)良韌性、焊接性和鐵素體的較高強(qiáng)度、良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，是一種真正意義上的高性能結(jié)構(gòu)材料，目前正越來越多地用于化學(xué)、石化、造紙和石油等工業(yè)。雙相不銹鋼在熱加工過程中，產(chǎn)品易存在嚴(yán)重的邊部和表面熱裂缺陷，造成成材率低、工藝成本昂貴;雙相不銹鋼傳統(tǒng)的熱加工工藝多采用鍛造開坯，以保證其熱塑性良好，降低熱加工難度。然而鍛態(tài)雙相不銹鋼改善熱加工性能的機(jī)理研究仍不十分深入。本文針對(duì)2205雙相不銹鋼，通過不同狀態(tài)下的組織性能的分析對(duì)比，研究雙相不銹鋼熱加工開裂機(jī)理及其影響因素，以期為提供改善雙相不銹鋼熱加工性能的方法提供幫助，推進(jìn)該鋼種的生產(chǎn)及應(yīng)用。

一、實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.實(shí)驗(yàn)材料

  實(shí)驗(yàn)材料為2205雙相不銹鋼連鑄坯，取部分鑄態(tài)試樣后，改鍛成Ф12mm的毛坯，鍛后毛坯經(jīng)1050℃加熱保溫30min固溶處理。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 熱模擬實(shí)驗(yàn)

  利用Gleeble-3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)分別對(duì)鑄態(tài)和鍛態(tài)的實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣尺寸均為��8mm×15mm的圓柱形試樣。試樣以10℃/s的加熱速度加熱到1250℃，保溫60s，然后以3℃/s的冷卻速度冷卻到不同變形溫度后保溫90s以均勻組織，然后進(jìn)行變形。變形溫度分別為950、1000、1050、1100、1150、1200、1250℃，變形速率為10s-1，最大真應(yīng)變?yōu)?.0，變形后立刻水淬以保持高溫組織。通過對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試樣開裂情況等對(duì)比分析來研究鑄、鍛態(tài)材料的組織和性能的差異。

2.2 組織分析

  利用金相、掃描等手段對(duì)熱變形前后，不同狀態(tài)下的顯微組織及熱裂斷口形貌進(jìn)行分析，以研究組織形貌與熱加工性能之間的關(guān)系，探索實(shí)驗(yàn)鋼的熱加工開裂機(jī)理，分析影響熱裂的主要因素。顯微組織侵蝕劑分別為30gKOH+50mlH2O(電壓為2～4V，時(shí)間為10～20s)和王水溶液。熱裂斷口經(jīng)無水乙醇清洗后在HitachiS-4200型掃描電鏡進(jìn)行斷口觀察。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1. 流變曲線

  2205雙相不銹鋼在不同變形條件下壓縮時(shí)的流變曲線如圖1所示。由圖1可見，在相同應(yīng)變速率下，鑄、鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的流變曲線的形狀大體形同，在變形的開始階段，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變量的增加而迅速增加，發(fā)生加工硬化;當(dāng)超過一定應(yīng)變量后，流變應(yīng)力逐漸減小，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)軟化特征;而后軟化趨于平緩，應(yīng)力基本保持不變，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的平臺(tái)。鍛態(tài)材料較鑄態(tài)材料表現(xiàn)出比較長且明顯的“穩(wěn)態(tài)平臺(tái)”。合金產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的塑性變形，這是由于材料在熱變形過程中產(chǎn)生的加工硬化和由于鐵素體動(dòng)態(tài)回復(fù)和奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的材料軟化達(dá)到了相互的平衡而形成的。穩(wěn)態(tài)區(qū)越長，表明材料在變形過程中的組織狀態(tài)越穩(wěn)定，各種變形機(jī)制相互間的作用也越協(xié)調(diào)，因此在該種狀態(tài)下材料往往表現(xiàn)出良好的熱塑性，熱加工難度降低。圖2為實(shí)驗(yàn)鋼熱壓縮后的宏觀形貌，鑄態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼在950～1150℃變形后，試樣均有熱裂現(xiàn)象，較高溫度(1200～1250℃)下才有所改善;而鍛態(tài)材料在950～1250℃變形后沒有發(fā)現(xiàn)熱裂紋的存在，可見鍛態(tài)材料的熱加工性能明顯優(yōu)于鑄態(tài)材料，與流變曲線上呈現(xiàn)的“穩(wěn)態(tài)區(qū)”與熱塑性關(guān)系基本一致。另外，鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼在熱加工過程中的最大變形抗力較之鑄態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼明顯增加，如表所示。變形抗力增加之可能原因?qū)⑼ㄟ^以下的組織形貌對(duì)比觀察進(jìn)行分析討論。

2. 顯微組織分析

  圖為鑄態(tài)和鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼熱變形前的初始組織，從該圖看出2205雙相不銹鋼的鑄態(tài)組織為較亮的不規(guī)則且粗大的樹枝狀?yuàn)W氏體(γ)分布在較暗的鐵素體(δ)基體上，與鑄態(tài)組織相比，鍛后奧氏體樹枝晶發(fā)生破碎且逐漸球化，多呈規(guī)則圓整的“餅狀”和“島狀”;兩相尺寸均有所細(xì)化，分布更加均勻。鑄態(tài)和鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼不同變形溫度下的奧氏體相的體積分?jǐn)?shù)及尺寸見表，結(jié)果表明，不同變形溫度下鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的奧氏體相體積分?jǐn)?shù)略高，尺寸明顯細(xì)化，因此，鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的熱變形抗力增加。

  實(shí)驗(yàn)鋼不同變形溫度下熱壓縮后的組織如圖所示，經(jīng)熱壓縮后，鑄態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的奧氏體相垂直于壓縮方向被拉長，呈不同厚度的“脈狀”，保持一定的平行關(guān)系，一些區(qū)域兩相分布較初始組織均勻，相界較平直，在較低變形溫度下，隨著變形量的增加，裂紋在試樣邊部相界處萌生，由內(nèi)而外裂紋逐漸由粗變細(xì);鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼奧氏體相則呈較細(xì)小的“短棒狀”，相界較圓滑，沒有發(fā)現(xiàn)有裂紋存在。

3. 熱裂紋形成機(jī)理及影響因素

   鑄態(tài)2205雙相不銹鋼經(jīng)熱壓縮變形后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂紋形貌見圖。圖中，裂紋多由試樣邊部向內(nèi)沿相界或在鐵素體相內(nèi)逐漸延伸擴(kuò)展，如圖所示。這主要是由于鐵素體和奧氏體本身的變形機(jī)制不同，造成變形不協(xié)調(diào)，使相界成為應(yīng)力最集中的地方，進(jìn)而形成裂紋，而且由于鐵素體相較奧氏體相軟，隨著應(yīng)變的逐漸增加，鐵素體沿相界的滑動(dòng)受到奧氏體的阻擋，當(dāng)應(yīng)變增加到一定程度，鐵素體則會(huì)被奧氏體撕裂，并使裂紋在鐵素體相內(nèi)擴(kuò)展。

  通過微觀組織觀察可知，鑄態(tài)組織不均勻，缺陷較多，相界平直，奧氏體相多存有尖角，尖角和缺陷處隨著應(yīng)變的增加，不易隨基體一起發(fā)生塑變，使得變形不協(xié)調(diào)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而造成熱裂紋形成，如圖中裂紋兩邊的兩相成分的能譜結(jié)果表明，帶尖角相中Cr、Mo元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于另一相，而Cr、Mo元素是鐵素體形成元素，可見帶尖角相多為奧氏體相。能譜結(jié)果還發(fā)現(xiàn)兩相成分均有O元素，這可能是由于熱加工過程中裂紋表面部分發(fā)生氧化所致。鍛態(tài)材料組織均勻且熱鍛消除了一定的組織缺陷，奧氏體相多呈圓滑的球狀，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中，于是避免了裂紋的形成，這也是鍛態(tài)材料熱加工不易開裂的原因之一。

  另外，由于鑄態(tài)組織粗大柱狀晶之間的位相差小，不具有與普通大角晶界相同的形核能力的緣故，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較難發(fā)生，從而影響材料的塑性。在雙相不銹鋼凝固中，奧氏體逐漸從鐵素體中析出，使得兩相保持K-S晶體取向限制，熱裂紋的形成則可以解釋成釋放該限制的一種方式。而鍛態(tài)材料經(jīng)一定的熱變形后會(huì)發(fā)生一定的再結(jié)晶行為，再結(jié)晶的出現(xiàn)則完全破壞了這種兩相之間的取向限制，從而避免或減輕了熱裂紋的形成。綜上所述，不同狀態(tài)下，雙相不銹鋼的熱加工性能存有差異，利用鍛造開坯可改善其熱加工性能，避免裂紋缺陷。熱裂紋的產(chǎn)生與雙相不銹鋼兩相間的不同變形機(jī)制、相尺寸大小、較硬的帶尖角的奧氏體形態(tài)及分布等一系列因素有關(guān)，通過對(duì)雙相不銹鋼熱加工開裂機(jī)理及影響因素的分析研究，為采取具有針對(duì)性的避免熱裂紋的措施提供理論指導(dǎo)。

  鑄態(tài)雙相不銹鋼在950～1150℃范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工均出現(xiàn)熱裂，通過提高變形溫度或利用鍛造可避免熱裂紋的出現(xiàn)。兩相均勻分布和細(xì)化使鍛態(tài)雙相不銹鋼明顯增加了流變曲線上的“穩(wěn)態(tài)區(qū)”，具有良好的熱塑性。鍛態(tài)雙相不銹鋼兩相組織的細(xì)化以及略高的奧氏體體積分?jǐn)?shù)使其變形抗力較鑄態(tài)材料有所增加。鑄態(tài)雙相不銹鋼的熱裂紋多沿相界和在鐵素體相內(nèi)擴(kuò)展，兩相不同的變形機(jī)制和初始的K-S取向關(guān)系、硬且粗大帶尖角的奧氏體的不均勻分布是熱裂紋形成的主要因素。