浙江至德鋼業(yè)有限公司在不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下對2205雙相不銹鋼進行高溫壓縮實驗，研究了變形溫度、應(yīng)變速率和變形量對其顯微組織中鐵素體和奧氏體兩相的影響，分析了高溫變形軟化機制。結(jié)果表明：隨著變形溫度的提高這種鋼的峰值應(yīng)力及其對應(yīng)的應(yīng)變逐漸減小。隨著變形溫度從850℃提高到950℃，2205雙相不銹鋼顯微組織中的鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變占主導地位；變形溫度高于950℃時，隨著變形溫度的提高鐵素體與奧氏體之間的強度水平之差逐漸減小，顯微組織中的奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變占主導地位。在本文的熱變形條件下2205雙相不銹鋼的顯微組織中鐵素體呈現(xiàn)出與奧氏體不同的軟化機制，鐵素體的軟化機制為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，而奧氏體因?qū)渝e能較低其軟化只能通過有限程度的動態(tài)回復(fù)進行。

   鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的顯微組織中鐵素體相與奧氏體相的體積比接近1:1，這個特點使其兼有奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性、焊接性和鐵素體不銹鋼所具有的高強度、耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的力學性能和耐蝕性能，在船舶、化學品運輸以及石油運輸管道等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，雙相不銹鋼雙相組織的這些特點也提高了其熱加工的難度。長期以來，雙相不銹鋼的熱加工性能受到國內(nèi)外研究者的極大關(guān)注。不適當?shù)臒崽幚砗蜔峒庸すに噰乐赜绊戨p相不銹鋼的組織和性能，尤其是在高溫變形過程中雙相不銹鋼顯微組織中鐵素體-奧氏體兩相的比例失去平衡，影響材料的綜合力學性能。鐵素體與奧氏體晶格類型的差異以及兩相之間的強度差異都使雙相不銹鋼的高溫變形行為復(fù)雜化。在不同的熱變形條件下，雙相不銹鋼表現(xiàn)出不同的顯微組織演變規(guī)律和動態(tài)軟化機制。鑒于此，本文采用熱壓縮方法研究變形溫度、應(yīng)變速率以及應(yīng)變量對2205雙相不銹鋼高溫變形過程中顯微組織演變的影響，并討論高溫變形過程中鐵素體和奧氏體兩相的軟化方式。

一、實驗方法

   實驗用熱軋態(tài)2205雙相不銹鋼板材的的厚度為14mm，其化學成分列于表。先對2205雙相不銹鋼進行1100℃×30分鐘的固溶處理，采用電火花線切割技術(shù)從14mm厚的板材上切取直徑為6mm長度為10mm的圓柱試樣，試樣的軸向平行于板厚方向。使用MMS-200熱力模擬試驗機對圓柱試樣分別在850~1250℃、應(yīng)變速率為0.1、1、10s-1條件下進行高溫壓縮實驗，并將變形后的試樣立即水淬以保留高溫狀態(tài)下的組織。用電火花線切割將變形后的試樣沿軸向切開，并將軸向截面研磨和拋光。用90~95℃的堿性鐵氰化鉀溶液(30gKOH+30gK3Fe(CN)6+100mLH2O)對拋光后的試樣進行化學侵蝕，侵蝕時間2~3min。用GX71倒置式金相顯微鏡、JEOLJSM-7001F掃描電子顯微鏡(配有EBSD系統(tǒng))和JEOLJEM-2100F透射電子顯微鏡(TEM)觀察和分析試樣的顯微組織，以研究變形參數(shù)對2205DSS顯微組織演變規(guī)律的影響。使用WILSON-WOLPER-450SVD型顯微硬度計對在不同變形條件下變形后的試樣顯微組織中的奧氏體和鐵素體進行顯微硬度測試，加載力大小為0.5N，加載時間為10秒。

二、實驗結(jié)果和分析

1. 流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線

   圖給出了在850~1250℃，應(yīng)變速率分別為0.1、1和10s-1時，試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖可以看出，在應(yīng)變速率相同的條件下，隨著變形溫度的提高流變應(yīng)力逐漸降低，且峰值應(yīng)力出現(xiàn)的位置向應(yīng)變減小的方向移動。其原因是，材料的軟化行為隨著溫度的提高逐漸加劇，加工硬化率逐漸減小，導致峰值應(yīng)力及其出現(xiàn)的應(yīng)變均逐漸降低。當應(yīng)變速率為0.1s-1、變形溫度不超過1150℃時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為典型的動態(tài)再結(jié)晶型；變形溫度提高到1250℃時，流變曲線呈現(xiàn)為動態(tài)回復(fù)型。而當應(yīng)變速率為1s-1和10s-1、變形溫度提高到1050℃時，流變曲線即呈現(xiàn)為動態(tài)回復(fù)型。在850~1250℃變形時2205雙相不銹鋼顯微組織中奧氏體和鐵素體兩相共存，在不同的變形溫度和應(yīng)變速率條件下，兩相軟化行為的變化導致了不同類型流變曲線的形成。

2. 變形溫度及應(yīng)變速率對2205雙相不銹鋼顯微組織的影響

    圖給出了在不同高溫變形條件下試樣的光學顯微組織，圖中深色區(qū)域代表鐵素體，淺色區(qū)域代表奧氏體。從圖可見，在高溫變形的過程中，2205雙相不銹鋼中的鐵素體相和奧氏體相都發(fā)生了細化，且奧氏體的細化程度比鐵素體顯著。在奧氏體中存在細小的鐵素體，在鐵素體中也出現(xiàn)了細小的奧氏體。這表明，奧氏體相與鐵素體相之間發(fā)生了互相轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變主要受變形參數(shù)即變形溫度和應(yīng)變速率的影響。變形溫度是影響鐵素體、奧氏體兩相之間相互轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵參數(shù)。在850~1250℃的溫度區(qū)間2205雙相不銹鋼處于兩相區(qū)，在此溫度區(qū)間對2205雙相不銹鋼進行壓縮變形將破壞奧氏體和鐵素體兩相之間原有的熱力學平衡，引起鐵素體與奧氏體之間的相變。圖3給出了不同變形條件下試樣顯微組織中奧氏體含量的變化曲線。圖表明，在同一應(yīng)變速率下，奧氏體的含量隨著變形溫度的提高都呈先上升后下降的趨勢；在同一變形溫度下，應(yīng)變速率的不同對奧氏體的含量影響不大，奧氏體含量差異最大不超過3%。這表明，應(yīng)變速率的改變對奧氏體含量的影響較小。變形溫度從850℃提高到950℃奧氏體的體積分數(shù)顯著升高，表明在變形過程中鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變占主導。其原因是，在高溫下鐵素體的強度低于奧氏體，變形優(yōu)先在鐵素體相中發(fā)生，鐵素體相承擔了較多的應(yīng)變并儲存了較大的形變能。這導致其熱穩(wěn)定性降低，形變儲能為鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變提供了驅(qū)動力，促進了鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變。而變形溫度在950~1250℃時奧氏體的含量隨著變形溫度的提高逐漸降低，即奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變占主導。這種現(xiàn)象的發(fā)生，主要受兩方面因素影響。一方面，隨著變形溫度的提高應(yīng)變在兩相之間分布的不均勻性減小。圖4給出了應(yīng)變速率為0.1s-1時鐵素體與奧氏體兩相顯微硬度隨變形溫度的變化曲線。從圖可以看出，隨著變形溫度的提高鐵素體與奧氏體的硬度差異逐漸減小，當變形溫度為1250℃時兩相的顯微硬度幾乎相等，鐵素體與奧氏體之間的強度差異減弱，鐵素體相中應(yīng)變的集中程度降低。另一方面，根據(jù)Fe-Cr-Ni三元相圖，隨著變形溫度的提高奧氏體的熱穩(wěn)定性降低。這也促進奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變。因此，隨著變形溫度的提高在上述兩個因素的作用下奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變量逐漸增多。

3. 在高溫變形過程中2205雙相不銹鋼的軟化機制

   為了進一步研究2205雙相不銹鋼在高溫壓縮過程中的軟化機制，在變形溫度為1050℃、應(yīng)變速率為0.1s-1的條件下對2205雙相不銹鋼進行了真應(yīng)變ε分別為0.05、0.3、0.5、0.8的高溫圧縮實驗。不同變形量試樣的光學顯微組織，如圖5所示。從圖5a可見，真應(yīng)變?yōu)?.05時在試樣的顯微組織中可以觀察到大量細小的奧氏體分布在鐵素體相中。隨著變形量的增大部分奧氏體在厚度方向明顯長大發(fā)生寬化，如圖5d所示。為了對不同變形量下試樣中奧氏體與鐵素體兩相組織進行系統(tǒng)的分析，在掃描電子顯微鏡下對熱變形淬火后的試樣進行了EBSD分析，結(jié)果如圖所示。圖給出了試樣的EBSD相組成圖，圖中藍色代表鐵素體，紅色代表奧氏體。圖給出了相鄰晶粒間的取向角差分布，將小于15°的晶界定義為小角度晶界，用黃色實線表示；將大于15°的晶界定義為大角度晶界，用黑色實線表示。

   從圖可以看出，應(yīng)變從0.05增至0.5時鐵素體相中等軸晶粒數(shù)量逐漸增多；應(yīng)變?yōu)?.8時等軸晶數(shù)量減少，但是尺寸明顯增大。且晶粒間多以大角度晶界為主，也有部分小角晶界的亞晶。而奧氏體相的晶粒形狀隨變形量的增大變化不明顯，僅出現(xiàn)少量非常細小的等軸晶粒和部分孿晶。晶粒形狀直接反映出鐵素體和奧氏體在熱壓縮過程中的軟化行為差別很大。此外，根據(jù)相鄰晶粒之間的取向差角分布，奧氏體和鐵素體兩相中的小角度取向差角所占的比例都比較大，并且隨著變形量的增加鐵素體相中的部分小角度晶界通過轉(zhuǎn)動形成大角度晶界，但是仍有較大比例的小角度晶界。這表明，在熱變形過程中鐵素體相發(fā)生了動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，但是應(yīng)變量不足以使所有亞晶消失形成完全的再結(jié)晶晶粒。而在四種應(yīng)變條件下，奧氏體相中小取向差角分布所占的比例均高于鐵素體相。其原因是，在熱變形的過程中奧氏體的強度高于鐵素體，導致應(yīng)變在奧氏體相中分配較少，其存儲的形變能不足以誘發(fā)奧氏體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，只有達到某一臨界值時才能明顯看到奧氏體的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，因此奧氏體相主要以動態(tài)回復(fù)機制進行軟化。在透射電鏡下對真應(yīng)變?yōu)?.8的試樣進行觀察，結(jié)果如圖所示。從圖可見，鐵素體相中以再結(jié)晶晶粒為主，發(fā)生了顯著的動態(tài)再結(jié)晶；而奧氏體相中主要為回復(fù)后的亞結(jié)構(gòu)，即奧氏體相基本未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，主要發(fā)生了動態(tài)回復(fù)。

   使用EBSD分析軟件統(tǒng)計了不同變形量條件下奧氏體和鐵素體兩相中再結(jié)晶、亞晶及變形晶粒三種類型晶粒數(shù)量的變化，結(jié)果如圖8所示。對于鐵素體相，隨著變形量的增加其晶粒主要以再結(jié)晶晶粒和亞結(jié)構(gòu)為主，變形晶粒逐漸被再結(jié)晶晶粒和亞晶結(jié)構(gòu)所替代。因此，在熱變形過程中鐵素體相是以動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的方式進行軟化。對于奧氏體，在不同的應(yīng)變情況下其再結(jié)晶晶粒所占的百分比變化不大且都很低，奧氏體晶粒主要為變形晶粒和亞結(jié)構(gòu)。由于奧氏體的層錯能較高，位錯難以發(fā)生交滑移，奧氏體相的動態(tài)回復(fù)行為受到很大程度的限制。從圖可以看出，奧氏體相中變形晶粒的比例很大。隨著變形量的增大再結(jié)晶晶粒的比例幾乎不變，奧氏體只通過有限的動態(tài)回復(fù)使部分變形晶粒被亞結(jié)構(gòu)所取代。綜上所述，在本文的熱變形條件下鐵素體主要通過動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶兩種方式軟化，而奧氏體則通過有限程度的動態(tài)回復(fù)軟化。

三、結(jié)論

   1. 2205雙相不銹鋼的峰值應(yīng)力及其對應(yīng)的應(yīng)變均隨著變形溫度的提高而減小，應(yīng)變速率從0.1s-1提高到1s-1和10s-1其應(yīng)力-應(yīng)變曲線從動態(tài)再結(jié)晶型轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)回復(fù)型。

   2. 當變形溫度從850℃提高到950℃時2205DSS顯微組織中鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變占主導，奧氏體的含量增加；當變形溫度高于950℃時，隨著變形溫度的提高鐵素體與奧氏體之間的強度水平差異逐漸減小，顯微組織中奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變占主導地位，奧氏體的含量顯著降低。

   3. 在本文的變形條件下2205雙相不銹鋼顯微組織中鐵素體與奧氏體的軟化機制不同，鐵素體的軟化機制為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，而層錯能較低的奧氏體只能通過有限程度的動態(tài)回復(fù)實現(xiàn)軟化。