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Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢热变形行为及热加工图

作　者: 张孝平
导　师: 朱亮
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 奥氏体不锈钢热变形行为热加工图高温压缩本构方程动态再结晶
分类号: TG142.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

Cr15Mn9Cu2Ni1N属于200系奥氏体不锈钢,主要以锰、氮元素来部分取代合金元素镍,从而获得全奥氏体组织,它以优异的力学性能及较低的成本广泛地被应用于各个领域。通过热加工工艺控制奥氏体不锈钢的再结晶组织,从而获得优异的性能,这在热加工过程中显得尤为重要。在工厂实际生产中,热轧是生产Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢带材的关键工序。由于这种钢的化学成分与常规的铬镍系奥氏体不锈钢存在较大的差异,热加工性能表现出极大的不同,人们对这种钢的热加工特性还未认识清楚。热轧加工过程的工艺制度还不够完善,在热轧生产过程中产品容易产生缺陷,如边裂、表面裂纹等,严重影响到产品的成型性。通常热加工图能很好地解决这些问题,故通过热加工图来研究Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的高温变形特性,具有重要的理论意义和应用价值。本文在Thermorestor-W热/力模拟试验机上,采用恒温恒应变速率压缩试验方法,通过不同变形条件(T:950℃～1200℃,ε:0.01s^-1～2.5s^-1)下的真应力-真应变曲线和热变形显微组织,研究了Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的热变形行为及热加工性能。基于动态材料模型理论（DMM）,构造出不同应变量下的热加工图。结合高温变形组织,对热加工图进行综合分析,从而有效地将热加工过程中不同热变形条件下的微观机制明确揭示出来,清楚地给出优化的热加工工艺参数,为工艺制定的一般原则和可行工艺参数范围的选择提供了理论依据。主要研究结果如下:1.在高温压缩时,Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著,随着变形温度的升高和应变速率的降低,流变应力减小。流变应力曲线有动态回复型和动态再结晶型两种。氮作为间隙固溶原子,具有显著的固溶强化效果,在变形温度小于1150℃时,氮含量的增加导致流变应力增大,而变形温度大于1150℃,这种影响不是很显著。2.通过回归分析方法得到Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的热变形激活能,低氮时为490.79 kJ/mol,高氮时为464.22 kJ/mol。较高的锰含量使得这种钢的热变形激活能高于传统铬镍系不锈钢。氮对热变形激活能也有影响,氮含量增加321ppm使得激活能降低了26.27 kJ/mol。由真应力-应变曲线计算出的材料常数,得出它们各自的热变形本构方程。3.在同一应变速率下,随着变形温度的升高,Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的显微组织经历了动态回复-部分动态再结晶-完全动态再结晶的组织演变规律。氮含量较低时,再结晶晶粒尺寸受应变速率的影响较小,但组织形态有变化,在0.01s^-1的应变速率下奥氏体晶界多为曲线状,而在2.5s^-1的应变速率下直线状的奥氏体晶界较多。氮含量较高时,随着变形温度的升高和应变速率的降低,再结晶程度逐渐增大,变形温度在1150℃以上时发生完全动态再结晶,而变形温度相同时,再结晶晶粒尺寸随应变速率的增大而减小。4.由两种不同氮含量的Cr15Mn9Cu2Ni1N奥氏体不锈钢的热加工图分析,得出“安全”热加工区域随着氮含量的增加而有所扩大。当氮含量较低时,随着应变量的增加,能量耗散效率因子变化较小,且分布和变化趋势大致相同,但流变失稳区域随应变量的增加而逐渐减少。优先选择的热加工参数为:变形温度为1170℃～1200℃,应变速率为O.1s^-1～2.5s^-1,该区域为完全动态再结晶区。当氮含量较高时,流变失稳区域随应变量的增加从高温区向低温区移动,表明安全热加工区域随应变量的增大而扩大。适合热加工的工艺参数范围为:变形温度为1100℃～1200℃,应变速率为0.01s^-1².5s^-1;变形温度为1020℃～1100℃,应变速率为0.4s^-1～2.5s^-1。其中优先选择的工艺参数为:变形温度为1120℃～1200℃,应变速率为0.18s^-1～2.5s^-1,这个区域为完全动态再结晶区域,能量耗散效率达30%以上。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-12
第1章绪论  12-25
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 铬锰(氮)系奥氏体不锈钢研究发展概述  13-15
    1.2.1 铬锰(氮)系奥氏体不锈钢发展历史  13-14
    1.2.2 铬锰(氮)系奥氏体不锈钢研究现状  14-15
  1.3 金属材料热变形行为研究概述  15-21
    1.3.1 金属材料热变形行为的研究方法  16-17
      1.3.1.1 拉伸实验  16
      1.3.1.2 扭转实验  16-17
      1.3.1.3 平面应变压缩实验  17
      1.3.1.4 圆柱体单向压缩实验  17
    1.3.2 金属材料热变形行为的研究内容  17-21
      1.3.2.1 金属材料热变形的流变应力  17-18
      1.3.2.2 金属材料热变形的软化机制  18-20
      1.3.2.3 金属材料热变形本构方程  20-21
  1.4 奥氏体不锈钢热加工图研究进展  21-23
    1.4.1 热加工图的应用  21-22
    1.4.2 典型奥氏体不锈钢热加工图  22-23
  1.5 本文研究意义及目的  23
  1.6 本文主要研究内容  23-25
第2章试验材料及试验方法  25-30
  2.1 试验材料  25-26
    2.1.1 试样牌号选取  25
    2.1.2 试样显微结构  25
    2.1.3 压缩试样制备  25-26
  2.2 高温压缩试验方法  26-28
    2.2.1 实验设备  26-27
    2.2.2 试验方案  27
    2.2.3 实验数据处理及修正  27-28
  2.3 热变形显微组织观察  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章 Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢的热变形行为  30-45
  3.1 引言  30
  3.2 高温流变曲线  30-33
    3.2.1 LN试样真应力-真应变曲线  30-32
    3.2.2 HN试样真应力-真应变曲线  32-33
  3.3 热变形参数对流变应力的影响  33-38
    3.3.1 应变速率对流变应力的影响  33-36
    3.3.2 变形温度对流变应力的影响  36-38
  3.4 热变形本构方程  38-41
  3.5 讨论  41-43
    3.5.1 氮对流变应力的影响  41-42
    3.5.2 热变形激活能  42-43
  3.6 本章小结  43-45
第4章 Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢高温热变形中的显微组织演变  45-56
  4.1 引言  45
  4.2 变形不均匀对显微组织的影响  45-46
  4.3 LN钢热变形参数对显微组织的影响  46-50
    4.3.1 变形温度对显微组织的影响  46-48
    4.3.2 应变速率对显微组织的影响  48-50
  4.4 HN钢热变形参数对显微组织的影响  50-54
    4.4.1 变形温度对显微组织的影响  51-52
    4.4.2 应变速率对显微组织的影响  52-54
  4.5 本章小结  54-56
第5章 Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢的热加工图  56-72
  5.1 引言  56
  5.2 热加工图物理模型的理论基础  56-60
    5.2.1 物理模型  56-58
      5.2.1.1 动力学模型  57
      5.2.1.2 原子理论模型  57-58
      5.2.1.3 动态材料模型  58
    5.2.2 基于动态材料模型理论的热加工图  58-60
      5.2.2.1 功率耗散图  59-60
      5.2.2.2 连续失稳判据  60
  5.3 热加工图的构造  60-61
    5.3.1 计算方法  60-61
    5.3.2 计算过程  61
  5.4 LN钢热加工图  61-65
    5.4.1 LN钢热加工图的建立  61-63
    5.4.2 LN钢的热加工图分析  63-64
    5.4.3 LN钢不同区域显微组织观察及变形机理  64-65
  5.5 HN钢热加工图  65-70
    5.5.1 HN钢的热加工图分析  65-68
    5.5.2 HN钢不同区域显微组织观察及变形机理  68-70
  5.6 LN钢和HN钢热加工图对比  70-71
  5.7 本章小结  71-72
结论  72-75
参考文献  75-80
致谢  80-81
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  81

Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢热变形行为及热加工图

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