冷軋301L奧氏體不銹鋼的變形和應變硬化行為

1、2013/2014年度第一學期文獻檢索及計算機在材料科學中的應用（期末大作業(yè)）姓 名：劉陽學 號：10430117專 業(yè)：金屬材料工程文獻出處：金屬學報, 2008, 44,775-780 2013年12月14日 *收到初稿日期：2007-10-15，收到修改日期：2008-01-08作者簡介：劉偉，女，1963年生，副教授 冷軋301L奧氏體不銹鋼的變形和應變硬化行為劉偉 李強 焦德志(北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044)鄭毅 李國平(鋼鐵研究總院，北京100044) (山西太鋼不銹鋼股份有限公司，太原030000)摘要 研究了SUS301L和CN301L奧氏體不銹鋼HT(

2、high tensile，4/4H)和DLT(deadline tensile，1/4H)兩個硬化等級冷軋板材的變形和應變硬化行為及其應變誘發(fā)馬氏體轉變所有30lL冷軋板拉伸試樣近斷口處都發(fā)生了85以上的馬氏體相變，軋制變形量增加，室溫拉伸應變誘發(fā)馬氏體轉變開始的應變減小，但未增加馬氏體轉變飽和值CN301L中C和N的含量高于相同硬化等級的SUS301L，導致它們變形和硬化行為不同C和N的含量較高，對相和相的固溶強化效果增強，冷軋奧氏體不銹鋼無需發(fā)生大量馬氏體轉變就能達到要求的高屈服強度，保證冷軋板材具有較好的塑性和一定的成型能力；此外，形成的應變誘發(fā)馬氏體中，C和N的固溶度大，硬化效果增強，

3、流變應力上升快，抗拉強度高；C和N含量較高，還增加奧氏體的穩(wěn)定性，將拉伸過程中應變誘發(fā)馬氏體轉變推遲到較高應變發(fā)生，延長應變硬化行為的第二階段，增強相變增塑效應關鍵詞 30lL冷軋板，C，N，應變硬化，馬氏體轉變，相變增塑DEFORMATION AND STRAIN HARDENING BEHAVIORS OF AUSTENITIC COLD ROLLED 301L STAINLESS STEELSLIU，Wei, LI，Qiang, JIAO，De-zhi(School of Mechanical, Electronic and Control Engineering，Beijing Jia

4、otong University, Beijing 100044)ZHENG，Yi(China IronSteel research Institute Group，Beijing 100044)LI，Guo-ping(ShanXi Taigang Stainless Steel CoLtd，Taiyuan 030000)Correspondent: LIU Wei, associate professor, Tel (010)51683938, E-mail: weiliuManuscript received 2007-10-15，in revised form 2008-01-08Abs

5、tract: Deformations and strain-hardening behaviors as well as strain induced martensitetransformation were investigated for two commercial c01d rolled stainless steels，SUS301L and CN301L,in both HT(high tensile,4/4H)and DLT(deadline tensile,1/4H)work hardening grade conditionsThe amount of marteIl8i

6、te induced by strain to failure at room temperature can reach over 85(volume fraction near fracture surface for the tested steels. The higher the cold rolled strain，the smaller the strain needed by martensite transformation onset，but it didnt increase the saturated amount of martensiteDifferent carb

7、on and nitrogen contents lead to different deformations and strain-hardening behaviors in the same cold rolled hardened grade 301LsHigher carbon and nitrogen contents made cold rolled steels obtaining the required high yield strength but less -martensite，and inhere better plasticity and pla8tic proc

8、essing capabilityCold rolled 301L also got higher strainhardening rate and flow stress due to -martensite with more carbon and nitrogen-martensite transformation was deferred to higher tensile 8train because of more carbon and nitrogen in austenite，which enhanced the transformation induced plasticit

9、y of 301L cold rolled steelsKeywords: 301L cold rolled steel，carbon and nitrogen，strain hardening，martensite transformation，transformation induced plasticity.奧氏體不銹鋼代表著一個龐大的合金系和應用領域，它不但耐腐蝕、抗氧化，還具有很高的加工硬化率和相變增塑(TRIP：transformation induced plasticity)效應，是兼具多種性能優(yōu)勢的合金對低層錯能非穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼變形行為的研究至今仍然非常活躍，主要是因為變形

10、過程中應力一應變行為的不確定性，有很多因素，諸如成分、溫度、預應變或應變路徑，晶粒尺寸、應變速率等均可以改變變形過程中馬氏體的轉變速率和轉變量，從而改變應力一應變行為1-3，這方面的研究具有很重要的理論和應用價值奧氏體的穩(wěn)定性和變形過程中的馬氏體轉變動力學是決定奧氏體不銹鋼變形行為的兩個最重要的因素301L奧氏體不銹鋼冷軋系列板被廣泛用于制造各種輕量車體，目前，我國的車輛專用冷軋奧氏體不銹鋼板已經研制成功，并已投入使用，但相關的奧氏體不銹鋼冷軋板材技術標準還處在創(chuàng)立階段本文研究了SUS301L-HT和SUS301L-DIT (HT-high tensile，4/4H；DIT-deadline

11、tensile，1/4H4)兩種強度等級的日本進口冷軋奧氏體不銹鋼板和相同強度等級的國產301L冷軋板的變形和應變硬化行為及其應變誘發(fā)馬氏體轉變，為國產奧氏體不銹鋼冷軋板材的生產、加工和相關技術標準的制定提供參考1實驗材料及方法實驗用SUS301L-HT和SUS301L-DLT冷軋板以及我國太鋼不銹鋼有限公司生產的相同強度等級的國產奧氏體不銹鋼冷軋板(對應強度等級的試樣編號分別為CN301L-HT和CN301L-DLT)的化學成分見表1根據Eichelman和Hull5的蠅，Angel6以及Nohara等7的MD30計算公式得出MS和MD30溫度列于表2，MD30是發(fā)生30塑性應變量導致50(

12、體積分數)馬氏體(相)轉變的溫度根據Schramm和Reed8給出的層錯能公式計算得出四種實驗不銹鋼板材在室溫的層錯能SF也列于表2，四種實驗板材的層錯能很接近Angel6和Nohara等人7兩種計算方法得到的MD30溫度不同，但四種實驗板材MD30溫度的相對排列順序相同，兩種SUS301L奧氏體的相對穩(wěn)定性低于兩種CN301L表1 實驗板材的化學成分Table 1 Chemical compositions of the tested steels(mass fraction，)SteelSUS301L-HTCN301L-HTSUS301L-DLTCN301L-DLTC0.0180.0240

13、.0180.028Si0.470.370.530.41Mn1.241.261.681.12P0.0270.0260.0310.031S0.0020.0020.0020.005Ni7.507.177.227.53Cr17.7517.3117.0917.71N0.100.140.120.11表2 實驗板材的MS、MD30和層錯能SFTable 2 MS、MD30 and stacking fault energy, SF of the tested steelsItemMS，5MD30，6MD30，7SF，mJm-28SUS301L-DLT-13428259CN301L-DLT-172221310

14、SUS301L-HT-143332510CN301L-HT-17320188按GB/T 2282002將鋼板用線切割制成板材拉伸試樣，拉伸實驗在MTS材料實驗機上進行，拉伸速度為2 mm/min(平均應變速率1.210-4 s-1)，拉伸方向平行板材軋制方向，用X射線衍射儀(CoK)和磁飽和儀進行物相定量分析圖1是實驗板材垂直軋制方向平面的XRD譜SUS301L-HT板材比CN301L-HT板材中的相多，用磁飽和儀測得SUS301L-HT中的相為13，CN301L-HT板材用磁飽和儀未能測到相，說明其中的相很少CN301-DLT和SUS301L-DLT板材的XRD譜相同，均為單相奧氏體相在剪切

15、帶交點形成4，見圖2a所示，所有板材的XRD譜中未檢測到相，但在CN301L-HT板材的組織觀察中見到少量相，見圖2b所示2實驗結果與分析21 冷軋奧氏體不銹鋼的變形行為圖3是SUS301L-HT和CN301L-HT板的單軸拉伸真應力-真應變和應變硬化率-真應變曲線，圖3a中的單個測試點為斷裂點的真應力f和真應變ff=Pf/Af f=In(Ao/Af)其中，Pf為斷裂載荷；f為斷口截面積；Ao為原始截面積盡管圖3中兩種冷軋奧氏體不銹鋼板的屈服強度相同，但變形行為卻完全不同CN301L-HT板有明顯的應變時效行為，拉伸曲線有類似屈服的應力平臺，但fcc合金并不像bcc合金有屈服現象，這是由于CN

16、301L-HT板中含有較多的C、N元素，軋制后這些元素在位錯附近偏聚，使位錯重新開動難度增加，而位錯一旦開動，滑移阻力減小、應力降低。CN301L-HT板在低應變量階段應變硬化率低，真應力真應變曲線在SUS301L-HT板之下，相同應變量的流變應力相差50-100MPa.由于CN301L-HT板的奧氏體穩(wěn)定性高（見表2），冷軋板材中的馬氏體量少，拉伸變形的均勻延伸率比SUS301L-HT板高9%,均勻流變應力高40MPa. SUS301L-HT和CN301L-HT兩種板材的斷裂性能相差也較大，CN301L-HT板的斷裂強度和斷裂應變更高.可根據應變硬化率d /d與真應變的關系，將兩種板材的應變

17、硬化行為分成如圖3b中所示的兩個階段，第一階段兩種板材的硬化率曲線相似，應變硬化率隨應變量增加迅速降低；而兩種板材的第二階段硬化行為則完全不同，CN301L-HT是典型的奧氏體不銹鋼的應變硬化行為，硬化率在塑性失穩(wěn)之前有一個上升、下降過程，硬化率曲線呈拋物線形狀，這樣就推遲了應變硬化率曲線和應力曲線相交，推遲了縮頸；SUS301L-HT第二階段的應變硬化是從較高硬化率開始的緩慢的單調下降過程，是和兩相協(xié)同變形的硬化行為.由于板材中的相較多，相拉伸變形中發(fā)生的應變誘發(fā)馬氏體轉變只能減緩硬化率下降速度，并不能使d /d曲線上升，使得硬化率曲線與應力曲線在較低應變相交，發(fā)生塑性失穩(wěn). 需要特別指出的

18、是CN301L-HT的應變硬化率曲線和應力曲線在低應變階段相交，這是對應拉伸應力應變曲線中的平臺階段，是應變失效的反應，應變硬化率在降到最低點后，隨著應變誘發(fā)馬氏體開始轉變而迅速上升，并沒有出現塑性失穩(wěn)或縮頸.SUS301L-DLT和CN301L-DLT的單軸拉伸真應力一真應變和應變硬化率一真應變曲線比較相似，如圖4所示，CN301L-DLT板的應力曲線比SUS301L-DLT板略低，均勻延伸率比SUS301L-DLT板高8，均勻流變應力高100 MPaCN301L-DLT板的奧氏體穩(wěn)定性相對較高，變形過程中馬氏體轉變比SUS301L-DLT晚，應變硬化行為的第二階段的應變量比SUS301L-

19、DLT更大，CN301L-DLT板和SUS301L-DLT第二階段的d /d最大值處應變分別為0.5和0.4，對于變形過程中有應變誘發(fā)馬氏體轉變的奧氏體不銹鋼，d /d最大值出現越晚、越能推遲頸縮，其均勻延伸率也越大9，這也是TRIP相變增塑效應的本質圖5是四種板材彈塑性階段的應變硬化行為，由于SUS301L-HT和CN301L-HT組織中有，和相，兩相的剪切模量不同，d /d呈連續(xù)的彈塑性過渡；而只有單相奧氏體的SUS301L-DLT和CN301L-DLT板材表現為不連續(xù)的彈塑性轉變過程22 奧氏體不銹鋼變形與馬氏體轉變當相超過80以后，用磁飽和儀測量的數值誤差較大，本文只用XRD對拉伸試樣

20、斷口附近軋制平面進行定量相分析圖6a是SUS301L-HT和CN301L-HT拉伸試樣的XRD譜，可見兩種板材拉伸后的組織相似，組織構成均比較復雜，除了大量相和剩余的相，還有少量相，用GB836287規(guī)定的計算殘余奧氏體量的方法，定量計算圖6a中SUS301LHT板和CN301L-HT板的馬氏體相對體積分數分別為88和85SUS301L-DLT的XRD譜與SUS301L-HT的相似，根據衍射強度計算的相的體積分數為86；圖6b是CN301L-DLT拉伸試樣的XRD譜，其中相的體積分數超過90，剩余相非常少，而且未檢測到相四種板材拉伸后的組織相似，如圖7a所示，相呈分散的連續(xù)或不連續(xù)條帶狀和不規(guī)

21、則塊狀，基體為奧氏體圖7b是在孿晶帶中觀察到的相和在相相交處形核、生長的塊狀馬氏體由于應變大，片部分已經轉變成-馬氏體，邊界不平整1023 討論四種實驗板材拉伸后組織中的馬氏體量都超過85(體積分數)，說明奧氏體不銹鋼冷軋板在拉伸變形過程中發(fā)生了應變誘發(fā)馬氏體轉變研究證明，奧氏體不銹鋼應變硬化率的上升源自于其中的馬氏體轉變，而且馬氏體轉變速率越快、應變硬化率上升也越快，馬氏體轉變開始點略早于硬化率一應變曲線的最低轉折點2,8,從圖3和圖4中看出，具有較高軋制變形量的SUS30lL-HT和CN301L-HT中的馬氏體轉變開始(約0.04真應變)早于低軋制變形量的SUS301L-DLT和CN30l

22、L-DLT(約0.15真應變)，說明較大的軋制預變形可促進拉伸變形中應變誘發(fā)馬氏體轉變從對拉伸組織的定量相分析結果可以看出，四種冷軋板材拉伸后的馬氏體轉變量差異并不大，尤其是低軋制應變量的CN301L-DLT，盡管其應變誘發(fā)馬氏體轉變開始較遲，但由于其均勻延伸率大，最終的馬氏體轉變量最大根據Olson和Cohen11提出的奧氏體不銹鋼應變誘發(fā)馬氏體轉變動力學模型，馬氏體轉變量可用如下方程描述：=1-exp-1-exp-)n式中，參數描述剪切帶的形成過程，與層錯能有關；描述馬氏體在剪切帶交接處形核的可能性，與相變驅動力有關模型描述的馬氏體轉變量與應變量關系曲線包括轉變開始，轉變速率和轉變飽和值三

23、個要素，-馬氏體轉變開始和轉變速率由和參數共同決定，飽和值則由決定冷軋奧氏體不銹鋼的軋制應變量增加，奧氏體中剪切帶的數量增加，拉伸變形中馬氏體轉變開始早，轉變速率快；但是，剪切帶數量增加并不改變轉變驅動力，不能增加室溫拉伸馬氏體轉變的飽和值從表1中可以看出，國產板的C和N含量高于同等硬化級別的進口板材，使得國產板的奧氏體穩(wěn)定性增加，MS和MD30溫度較高，均勻延伸率和抗拉強度高于進口板材通過對比國產和進口冷軋301L不銹鋼HT和DLT硬化級別板材的拉伸變形和應變硬化行為，可以得出C和N含量較高有以下兩方面的作用：一是對相和相的固溶強化，N對提高相的屈服強度作用非常顯著12，這使得冷軋奧氏體不銹

24、鋼無需發(fā)生大量馬氏體轉變就能達到要求的高屈服強度，從而保證冷軋板具有較好的塑性和一定的后續(xù)成型能力；此外，形成的應變誘發(fā)馬氏體中C和N的固溶度大、硬化效果好，流變應力上升很快，抗拉強度高。C和N含量較高的另一個作用是增加奧氏體的穩(wěn)定性，將變形過程中的馬氏體轉變推遲到較高應變發(fā)生，延長應變硬化行為的第二階段，推遲應變硬化率曲線與流變應力曲線相交，獲得更高的均勻延伸率，增強相變增塑效應3結論(1)301L冷軋板拉伸試樣近斷口處形變誘導馬氏體量均在85以上；軋制應變量增加，室溫拉伸馬氏體開始轉變的應變減小，但未增加應變誘發(fā)馬氏體飽和值(2)C和N含量不同時，板材的奧氏體穩(wěn)定性及其變形和硬化行為不同(3)C和N的含量較高，對相和相的固溶強化效果增強，N提高相屈服強度作用顯著，冷軋奧氏體鋼無需發(fā)生大量馬氏體轉變就可達到要求的高屈服強度，冷軋板具有較好的塑性和一定的后續(xù)成型能力形成的應變誘發(fā)馬氏體中C和N的固溶度大、應變硬化效果好、流變應力上升快(4)C和N含量較高增加奧氏體的穩(wěn)定性，將變形過程中的馬氏體轉變推遲到較大應變量發(fā)生，延長應變硬化行為的第二階段，增強相變增塑效應感謝McMaster大