N08811耐热合金的热变形行为与本构模型_靳淑静.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:靳淑静,顾 丽,党 军,等.N08811 耐热合金的热变形行为与本构模型 J.塑性工程学报,2023,30(2):135-140.JIN Shujing,GU Li,DANG Jun,et al.Hot deformation behavior and constitutive model of N08811 heat-resistance alloy J.Journal of Plasticity Engineer-ing,2023,30(2):135-140.第一作者:靳淑静(通信作者),女,1989 年生,博士,研究员,主要从事特种合金研究,E-mail:jinshujing 收稿日期:2022-04-21;修订日期:2022-10-11N08811 耐热合金的热变形行为与本构模型靳淑静,顾 丽,党 军,李东晖(南京钢铁股份有限公司研究院 江苏省高端钢铁材料重点实验室,江苏 南京 210035)摘 要:采用 Gleeble-3800 热模拟试验机研究了 N08811 耐热合金在变形温度为 9001150、变形速率为 0.15 s-1条件下的高温变形行为。结果表明,N08811 合金的流变应力随着应变速率的增大及变形温度的下降而增加,是一种正应变速率敏感材料。通过对显微组织的研究,发现当应变速率为 1 s-1时,N08811 合金优先在变形晶粒的晶界处发生动态再结晶,再结晶晶粒数目及尺寸均随变形温度的升高而增加,至变形温度为 1150 时已发生完全再结晶。当变形温度一定时,高应变速率会降低 N08811 合金的再结晶温度,增加晶粒尺寸。依据真应力-真应变曲线,采用双曲正弦本构模型建立了 N08811 合金的流变应力本构方程,得到其热变形激活能为 509.998 kJmol-1。关键词:N08811;热变形;激活能;本构方程中图分类号:TG142.7 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0135-06doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.016Hot deformation behavior and constitutive model of N08811 heat-resistance alloyJIN Shu-jing,GU Li,DANG Jun,LI Dong-hui(Jiangsu Province Key Laboratory for Premium Steel Material,Research Institute,Nanjing Iron and Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210035,China)Abstract:The hot deformation behavior of N08811 heat-resistance alloy under the conditions of hot deformation temperature of 900-1150 and strain rate of 0.1-5 s-1 was investigated by Gleeble-3800 thermal simulator.The results show that the flow stress of N08811 alloy increases with the increase of strain rate and the decrease of deformation temperature,and it is a positive strain rate-sensitive materi-al.Through the observation of microstructures,it is found that when the strain rate is 1 s-1,dynamic recrystallization prefers to happen near the grain boundary of deformed grains,both the quantity and size of recrystallized grain increase with the increase of deformation temperature,and when the deformation temperature is 1150,fully recrystallization occurs.When the deformation temperature is fixed,high strain rate can lower the recrystallization temperature of N08811 alloy and increase the grain size.According to the true stress-true strain curves,the flow stress constitutive equation of N08811 alloy was established using the hyperbolic sinusoidal constitutive model,and its thermal deformation activation energy is 509.998 kJmol-1.Key words:N08811;hot deformation;activation energy;constitutive equation 引言N08811 耐热合金是一种 Ni-Fe-Cr 系合金,合金中较高的 Cr 含量既起到了固溶强化的作用,又能在表面形成一层致密的氧化膜,其中加入的 Ti 和 Al等元素能形成硬度高、热稳定性好的碳化物,阻止蠕变的发展,起弥散强化的作用1。N08811 因其优异的高温强度和抗氧化性能而得到了广泛应用,如热处理炉零部件、苯乙烯生产装置和冷氢化反应器等2-3。同 N08811 合金一样,N08800 和 N08810 也属于节镍耐蚀耐热的 INCOLOY 800 系列合金中的成员。以上 3 种钢化学成分相似,仅 C、Al 和 Ti 等元素的含量稍有不同,因此组织性能比较接近。目前国内外对 N08800 及 N08810 两种钢种的热变形行为研究较多。李莎等4研究了 N08800 耐热合金的高温压缩变形行为,获得了其在 1150 1280、1 20 s-1条件下的真应力-真应变曲线,结果表明,N08800 合金合适的热加工参数为 1200 1250、应变速率为 1 10 s-1。CAO Y 等5研究了 N08810合金在 1000 以上的热变形行为,发现随着变形温度的升高和应变速率的降低,动态再结晶现象更加明显。N08811 合金成分含有较高的 C、Al 和 Ti,因此比 N08800 和 N08810 具有更优异的高温稳定性。国内外关于 N08811 的研究主要集中在焊接及应用方面,鲜有变形行为方面的研究。考虑到 N08811 的高温变形抗力大、微观组织可控性较差,本文通过热模拟试验研究耐热合金 N08811 在不同条件下的变形规律,建立了高温塑性变形本构模型,有利于深入理解 N08811 的高温变形行为,进而获得组织和性能更加均匀的锻件。1 实验方法本文所用试样取自热轧态 N08811 钢板,轧制时不控轧不控冷,终轧温度在 950 以上。热轧态N08811 合金的金相组织如图 1 所示,为完全的奥氏体组织。由于终轧温度很高,N08811 合金在轧制后发生了再结晶,晶粒为等轴晶且尺寸较为均匀。N08811合金的化学成分(%,质量分数)主要为 C0.08、Si0.33、Mn0.86、P0.018、Ni30.31、Cr19.66、Cu0.04、Al0.40、Ti0.46 和 Fe47.7。将试样加工成 10 mm15 mm 的圆柱形,然后在 Gleeble-3800 热模拟机上进行压缩实验。将样品以 5 s-1的速率加热至1250 并保温 5 min,然后以 5 s-1的速率分别降温至 900、950、1000、1050、1100 和 1150,保持 20 s 后在此温度下进行压缩实验,变形速率分别为 0.1、1 和 5 s-1,变形量为 60%,变形后快速冷却。将 N08811 试样沿压缩方向从中间切开,经过打磨抛光后,使用 10%草酸溶液电解腐蚀并观察金相组织。2 实验结果与讨论图 1 热轧态 N08811 合金的显微组织Fig.1 Microstructures of hot-rolled N08811 alloy2.1 真应力-真应变曲线图 2 为 N08811 合金在不同应变速率及变形温图 2 不同热变形条件下 N08811 合金的真应力-真应变曲线(a)0.1 s-1(b)1 s-1(c)5 s-1Fig.2 True stress-true strain curves of N08811 alloy under different hot deformation conditions631塑性工程学报第 30 卷度下 的 真 应 力-真 应 变 曲 线。刚 开 始 变 形 时,N08811 的流变应力随着真应变的增加快速上升,这时加工硬化起主导作用。在该时期,位错密度明显增加,位错之间缠结、塞积,导致塑性变形抗力大幅增加,同时动态软化作用尚不明显,导致流变应力快速升高6。之后随流变应力的增加速率放缓并进入平台期,在平台期基本保持不变,说明加工硬化和动态再结晶的软化行为已经达到动态平衡。当应变速率一定时,N08811 合金在平台期的稳态应力及峰值应力均随着变形温度的升高而降低。这是因为在较高温度下,原子的活动能力增强,除空位、间隙等点缺陷更为活跃外,位错的滑移也更容易被激活,并能通过滑移、攀移等行为抵消异号位错,减小位错密度,金属更容易发生动态回复和动态再结晶等软化行为7。此外,N08811 合金在变形的过程中,一部分变形能也转化为热能,增加了金属的温度,进而降低了流变应力。此外,当变形温度相同时,流变应力随应变速率的增加而增大。应变速率加快后,N08811 合金能够发生动态回复及再结晶的时间变短,因此软化作用减弱,导致流变应力增加。以上结果表明 N08811 耐热合金是一种正应变速率敏感材料。2.2 显微组织变化为了研究 N08811 合金的再结晶行为,观察了试样沿压缩方向的截面显微组织。图 3 为应变速率为 1 s-1时,N08811 合金在9001150 变形后的显微组织。在 900 和 950 条件下,原始晶粒垂直于压缩方向被拉长。温度升高至 1000 时,变形的原始晶粒晶界处开始出现少量细小的再结晶晶粒。当温度升高到 1050 及以上时,再结晶晶粒数目逐渐增多,尺寸逐渐增大,至 1150 时几乎均为等轴晶粒。图 3 应变速率为 1 s-1时 N08811 合金在不同温度变形后的显微组织(a)900(b)950(c)1000(d)1050(e)1100(f)1150 Fig.3 Microstructures of N08811 alloy deformed at different temperatures with strain rate of 1 s-1N08811 合金为奥氏体结构,扩展位错宽度较宽,难以发生位错的交滑移和攀移,因此相比于动态回复,动态再结晶是最主要的软化机制8-9。随着变形温度的升高,再结晶晶粒更容易形核,长大的驱动力更强。该结果也解释了当应变速率一定时,N08811 的流变应力随着温度的升高而降低的原因。图 4 为变形温度分别为 950 和 1100 时,N08811 合金分别在应变速率为 0.1 和 5 s-1下变