在熱模擬試驗機上利用自行設(shè)計的試驗裝置進(jìn)行熱變形試驗，研究了Cr15Mn9Cu2NiN及Cr17Mn6Ni4Cu2N兩種奧氏體不銹鋼鑄坯在不同變形溫度及變形量下裂紋的產(chǎn)生。結(jié)果表明，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時，在研究的變形溫度下，兩種試驗鋼均會產(chǎn)生裂紋，裂紋均沿奧氏體晶界擴展。在這兩種試驗鋼中均存在一個開裂傾向較高的溫度區(qū)間，但該溫度區(qū)間的大小及臨界開裂應(yīng)變量隨溫度的變化特點在兩種鋼中不同。該溫度區(qū)間形成的主要原因是鑄態(tài)組織及其變形特性引起的，而臨界開裂變形量隨溫度表現(xiàn)出的不同特點則是由微觀組織的差異導(dǎo)致的。

奧氏體不銹鋼鑄坯的塑性直接決定著熱變形過程中裂紋的產(chǎn)生及最終的產(chǎn)品質(zhì)量。目前對于奧氏體不銹鋼鑄坯的熱塑性已經(jīng)有了較多的研究，一般利用拉伸試驗測定的斷面收縮率來對材料的塑性進(jìn)行評價。通過對已有的熱塑性數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在奧氏體不銹鋼熱加工如熱軋、熱鍛等常用的溫度范圍1100～1250℃內(nèi)，材料均具有非常好的熱塑性。如在1100℃時，Cr15Mn9Cu2NiN的斷面收縮率達(dá)到80%[1]，304HC及304H不銹鋼的斷面收縮均達(dá)到80%以上。當(dāng)鑄態(tài)材料的斷面收縮率達(dá)到60%以上時，材料在熱加工過程中一般不會出現(xiàn)開裂[4]，但在實際生產(chǎn)過程中，裂紋的產(chǎn)生卻很難避免。實際上斷面收縮率等材料的塑性指標(biāo)，反映的是材料斷裂前經(jīng)受塑性變形的能力，并不能反映出材料變形過程中，開始產(chǎn)生裂紋時所對應(yīng)的應(yīng)變量。對材料的變形過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在斷裂前其表面及內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了裂紋，但材料仍能繼續(xù)變形下去而達(dá)到一個較高的塑性。如在鑄態(tài)雙相不銹鋼中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形量達(dá)到0.56時材料已經(jīng)出現(xiàn)了開裂，而其最終的斷裂應(yīng)變量卻達(dá)到了1.6。在304奧氏體不銹鋼的原位拉伸試驗中也得到了相似結(jié)果[6]。所以，通過材料斷裂后的斷面收縮率等塑性指標(biāo)來判斷熱變形過程中其是否開裂是不準(zhǔn)確的。

本文以奧氏體不銹鋼Cr15Mn9Cu2NiN及Cr17Mn6Ni4Cu2N作為實驗材料，在熱模擬試驗機上利用自行設(shè)計的裝置進(jìn)行熱變形試驗，以變形量作為材料的塑性指標(biāo)，研究不同變形溫度及變形量下裂紋的產(chǎn)生并對其原因進(jìn)行分析。

1實驗材料與方法

奧氏體不銹鋼Cr15Mn9Cu2NiN及Cr17Mn6Ni4-Cu2N采用AOD+LF精煉工藝冶煉，通過立彎式連鑄工藝生產(chǎn)出連鑄坯。鑄坯橫截面尺寸為220mm×1260mm，其化學(xué)成分如表1所示。

在Thermorestor-W型熱/力模擬試驗機上進(jìn)行熱變形試驗。通過掛鉤將試樣懸掛在熱模擬試驗機高頻感應(yīng)線圈中心部位，利用高頻感應(yīng)線圈對其加熱，加熱至變形溫度后，由活塞對鋼絲繩施加向下的拉力作用，從而帶動軋輥轉(zhuǎn)動，同時將懸掛試樣的掛鉤拉脫，試樣迅速落入兩軋輥的間隙，試樣隨軋輥進(jìn)一步轉(zhuǎn)動而被咬入到兩軋輥中間，進(jìn)而完成熱變形過程。通過改變兩個軋輥之間的距離來調(diào)整試樣的變形量。

變形溫度范圍為950～1250℃，間隔為50℃；活塞向下的拉伸速度速度設(shè)為6mm/s；變形量為10%～60%。試樣以10℃/s的速度加熱至1250℃，保溫300s，以10℃/s的速度冷卻至變形溫度后，進(jìn)行熱變形試驗。試驗完成后，立即對試樣進(jìn)行噴水冷卻，以保留高溫時的變形組織。觀察變形后試樣裂紋的產(chǎn)生情況，如裂紋形態(tài)、長度以及數(shù)量等。將軋后試樣沿平行于軋制面的方向切開，經(jīng)研磨、機械拋光及電解腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣微觀組織。電解腐蝕液成分為10%草酸溶液，電解電壓為6V，腐蝕時間40～60s。

2實驗結(jié)果及分析討論

熱變形后試樣的尺寸在軋制面的寬度及長度方向均有所增加，并且在試樣的邊部出現(xiàn)了不同程度的鼓肚，鼓肚的大小隨變形量的增加而增加，并且在有些試樣的鼓肚處存在一些小裂紋。為分析方便，將試樣邊裂的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類。以Cr15Mn9Cu2NiN在1100℃時不同變形量的試樣為例，對開裂情況加以說明，如圖1所示。在當(dāng)變形量為37%時，試樣邊部未出現(xiàn)裂紋，把這種情況定為未開裂；變形量為43%時，邊部最長裂紋為1.5 mm，把裂紋長度在0～1.5 mm時的情況定為輕微開裂；壓下量為52%時，最長裂紋為3.5 mm，把最長裂紋長度大于3mm時定為為嚴(yán)重開裂。除上述開裂情況外，還存在最長裂紋長度為1.5～3mm的情況，將其判定為中度開裂，當(dāng)壓下量為47%時，試樣邊部最長的裂紋長度為2mm。

根據(jù)上述試樣開裂嚴(yán)重程度的分類，對兩種鋼在所有變形條件下試樣的開裂情況進(jìn)行歸納，結(jié)果分別如圖2所示�？煽闯觯�在各試驗溫度下，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時，試樣都會發(fā)生微裂，繼續(xù)增大壓下量會使試樣發(fā)生中度開裂，甚至嚴(yán)重開裂；以試樣邊部產(chǎn)生微裂時所對應(yīng)的變形量作為邊裂發(fā)生的臨界變形量繪制曲線，結(jié)果分別如圖2所示。可看出，在Cr15Mn9Cu2NiN中，其臨界開裂變形量隨變形溫度的降低呈V型的變化趨勢，而在Cr17Mn6Ni4Cu2N中，其臨界開裂變形量隨變形溫度的降低呈U型的變化趨勢，在兩種鋼中均存在一個發(fā)生邊裂的臨界變形量較小的溫度區(qū)間，分別為975～1150℃，1025～1175℃。

如果將上述的臨界變形量看作材料的塑性指標(biāo)，那么Cr15Mn9Cu2NiN和Cr17Mn6Ni4Cu2N分別在975～1150℃和1025～1175℃的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑性下降的情況。對于這種鑄態(tài)組織的塑性在某一溫度范圍內(nèi)下降的情況在奧氏體不銹鋼焊縫中也存在。當(dāng)溫度升至0.5～0.7T m(熔點)時，在奧氏體不銹鋼的焊縫中發(fā)現(xiàn)其塑性會突然下降。在焊接工藝中，把此溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的裂紋稱為失塑裂紋(Ductility-DipCracking)。通常利用應(yīng)變-斷裂試驗來測定焊縫對失塑裂紋的敏感性，確定裂紋產(chǎn)生的應(yīng)變閾值及溫度區(qū)間。

圖3給出了利用應(yīng)變-斷裂試驗測定的三種奧氏體不銹鋼焊縫的結(jié)果。可以看到，310、304、AL-6XN的應(yīng)變閾值和對應(yīng)的失塑溫度區(qū)間分別為5%、10%、3%以及750～1100℃、900～1200℃、850～1000℃。盡管本文中所用的臨界壓下量與應(yīng)變-斷裂試驗中的應(yīng)變閾值在測量方法上不同，但它們同樣都反應(yīng)了材料的高溫塑性。也就是說，在焊縫和鑄坯中均存在一個塑性較低的溫度區(qū)間。通過分析對比發(fā)現(xiàn)，在本研究中，試驗鋼中產(chǎn)生的邊部裂紋與失塑裂紋具有相同的特征。也就是說試驗鋼熱變形過程中產(chǎn)生的邊部裂紋與失塑裂紋屬于同一類型的裂紋，均是由于在特定的溫度區(qū)間內(nèi)鑄態(tài)組織塑性下降的造成的。對于失塑裂紋的產(chǎn)生機理目前還沒有形成統(tǒng)一認(rèn)識，初步分析認(rèn)為與鑄態(tài)組織及其變形特性有關(guān)。

在奧氏體不銹鋼鑄坯中，由于其凝固過程中具有明顯的熱流方向，使得微觀組織為較粗大的柱狀晶，并且在晶界上存在一定程度的雜質(zhì)元素的偏析，導(dǎo)致在變形過程中裂紋容易在晶界處開始形核[10]。并且，在這種鑄態(tài)組織中，奧氏體柱狀晶的晶界及晶界鐵素體處的奧氏體/鐵素體接觸面比較直，在變形過程中阻止裂紋擴展的能力較弱[11]，裂紋形核后就會很容易的沿著晶界或相界擴展，進(jìn)而形成宏觀的失塑裂紋。通過觀察所有熱變形試樣開裂處微觀組織發(fā)現(xiàn)，在Cr15Mn9Cu2NiN中，裂紋的形核位置處于奧氏體晶界處；在Cr17Mn6Ni4Cu2N中，裂紋的形核位置在奧氏體晶界及晶界鐵素體處，可發(fā)現(xiàn)，開裂試樣的裂紋形核位置均在較長且直的晶界或相界處，這與以上所分析的結(jié)果一致。

圖4給出了1100℃時，兩種試驗鋼微裂時的微觀組織�？煽吹剑�在兩種試驗鋼中均存在一個塑性較低的溫度區(qū)間。但是，隨著溫度的降低，兩種鋼的塑性變化特點卻是不同的，在Cr15Mn9Cu2NiN中，其塑性隨著變形溫度的降低呈V型的變化趨勢，而在Cr17Mn6Ni4Cu2N中，其塑性隨變形溫度的降低則呈U型的變化趨勢，導(dǎo)致這種差異的原因要從其微觀組織的構(gòu)成及變形過程中組織的演變方面來分析。

在Cr15Mn9Cu2NiN中，其微觀組織為粗大的奧氏體晶粒，并且通過變形后的微觀組織可以看到，在奧氏體晶粒內(nèi)部存在一定的變形亞結(jié)構(gòu)，其含量隨溫度的降低而迅速升高，如圖5所示。一般認(rèn)為，金屬材料的塑性變形過程是位錯在應(yīng)力的作用下不斷運動和增殖的過程，多數(shù)金屬材料在變形后，位錯分布不均勻，它們互相纏繞在一起形成位錯亞結(jié)構(gòu)[12]。在熱變形過程中，位錯亞結(jié)構(gòu)的存在會對晶粒內(nèi)部的滑移系具有釘扎阻礙作用，提高晶粒的強度[13]，導(dǎo)致變形主要集中在晶界處。隨變形溫度的降低，使得材料發(fā)生動態(tài)回復(fù)越來越困難，導(dǎo)致晶粒內(nèi)部的位錯亞結(jié)構(gòu)越來越多，晶粒強度越來越高，在較小的變形量下就會導(dǎo)致裂紋在奧氏體晶界處形核。當(dāng)變形溫度降至1000℃以下時，雖然晶粒內(nèi)部位錯亞結(jié)構(gòu)很多，但同時晶界強度也隨著溫度的降低而得到提高，使得開裂時的應(yīng)變量有所提高。

在Cr17Mn6Ni4Cu2N中其微觀組織為粗大的奧氏體晶粒內(nèi)部及晶界上分布著顆粒狀的δ鐵素體。并且，隨變形溫度的降低，在變形后的微觀組織中基本觀察不到位錯亞結(jié)構(gòu)的存在。也就是說，在變形過程中，奧氏體的強化程度較低，因此其塑性隨溫度的降低呈拋物線狀下降。當(dāng)溫度降至1100℃以下時，由于應(yīng)變強化的作用，鐵素體強度升高明顯，使得鐵素體與奧氏體的強度差別減小。同時，變形溫度的降低提高了晶界及相界的強度，使得開裂時的應(yīng)變量提高。

3結(jié)論

(1)在奧氏體不銹鋼Cr15Mn9Cu2NiN和Cr17Mn6Ni4Cu2N中，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時，試樣都會發(fā)生開裂的情況，并且裂紋均沿奧氏體晶界擴展。在兩種鋼中均存在一個開裂傾向較高的溫度區(qū)間，該溫度區(qū)間的形成是由于鑄態(tài)組織中的柱狀晶晶界較直，阻止裂紋擴展的能力較弱導(dǎo)致的。(2)隨變形溫度降低，Cr15Mn9Cu2NiN的塑性呈V型的變化趨勢，而在Cr17Mn6Ni4Cu2N中則呈U型的變化趨勢。導(dǎo)致這種差異的原因是微觀組織的構(gòu)成及變形過程中組織演變的差異造成的。