采用光學(xué)及透射電鏡對(duì)高氮奧氏體Fe-20Mn-19Cr-0.6N鋼條件拉伸微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:固溶態(tài)材料的強(qiáng)塑積可以達(dá)到57 GPa·%。經(jīng)過(guò)26%變形量冷軋后，屈服強(qiáng)度提高一倍，提升至1110 MPa，而斷后伸長(zhǎng)率只有18.5%，強(qiáng)塑積降至24 GPa·%。隨著拉伸溫度的提高，材料的強(qiáng)度和塑性均呈下降趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)冷軋后，基體中擁有很高的位錯(cuò)密度，在變形過(guò)程中，應(yīng)變硬化速率下降較快，但TWIP效應(yīng)機(jī)制仍會(huì)啟動(dòng)并改善塑性。溫度的提升使材料的層錯(cuò)能提高，從而抑制TWIP效應(yīng)的作用，使高溫拉伸材料的強(qiáng)度和塑性的提升較固溶態(tài)低。

高氮奧氏體不銹鋼管擁有良好的力學(xué)和化學(xué)性能，特別是擁有優(yōu)秀的強(qiáng)塑積以及加工硬化能力，使其廣泛應(yīng)用在工業(yè)結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域。研究其經(jīng)過(guò)冷變形及不同溫度條件下的拉伸變形行為，有助于其在要求更高的結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域中應(yīng)用。目前，對(duì)于高氮鋼變形行為的研究已有大量報(bào)道，但是大量的工作主要集中在氮對(duì)層錯(cuò)能的作用以及冷軋變形量對(duì)形變誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。盡管有許多學(xué)者對(duì)高氮鋼變形行為進(jìn)行了研究，但對(duì)一種新的高氮奧氏體不銹鋼管在不同條件下的變形行為，尤其是微觀組織轉(zhuǎn)變和力學(xué)性能潛能以及加工硬化能力仍然缺乏足夠清晰的理解。本文針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)Fe-20Mn-19Cr-0.6N高氮奧氏體不銹鋼管經(jīng)過(guò)冷變形及不同溫度條件下的拉伸變形行為進(jìn)行了充分的研究和討論。

1試驗(yàn)材料及方法

1．1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼Fe-20Mn-19Cr-0.6N采用加壓電渣重熔冶煉，鍛造開(kāi)坯后，在900～1200℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行連鑄連軋工藝，軋制成厚度為12 mm的熱軋板。由于經(jīng)過(guò)熱軋后的材料存在較大應(yīng)力，因此對(duì)材料進(jìn)行一次高溫固溶處理，消除應(yīng)力。固溶工藝為:1100℃保溫2 h，然后水冷至室溫。固溶后材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1．2試驗(yàn)方法

對(duì)固溶后的材料取平行段為��5 mm的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)棒，在室溫、100℃以及300℃不同溫度條件下進(jìn)行單軸準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試。其次，對(duì)固溶后的材料進(jìn)行一定程度的冷軋變形，測(cè)得冷軋壓下量為26%，沿軋向取平行段長(zhǎng)度為40 mm，寬度為10 mm的板拉伸試樣，進(jìn)行室溫單軸準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試。單軸準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試在MTS拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸應(yīng)變速率為2×10－3 s－1。

在經(jīng)過(guò)固溶和冷軋后的軋板上取金相和TEM試樣，高溫拉伸則在平行段上取金相和TEM試樣。不同狀態(tài)金相試樣經(jīng)機(jī)械研磨和拋光后，在10%鉻酸水溶液中電解腐蝕。經(jīng)腐蝕后的金相試樣在Leica MEF4M型光學(xué)顯微鏡上觀察微觀組織。透射試樣用砂紙均勻研磨至30～40μm厚，然后沖成��3 mm的試片，在MTP-1A型雙陰極噴射電解減薄裝置上進(jìn)行雙噴。電解液為6%高氯酸乙醇溶液，電解電壓為30 V，電流為30 mA。制備的薄片試樣采用H-800型透射電鏡(TEM)觀察不同變形量材料的微觀組織，操作電壓為200 V。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1力學(xué)性能

圖1為Fe-20Mn-19Cr-0.6N鋼在不同條件下的綜合力學(xué)性能曲線，從圖1得知，經(jīng)固溶后的材料強(qiáng)塑性較高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別可以達(dá)到911 MPa和530 MPa，斷后伸長(zhǎng)率可以達(dá)到62%，此外，強(qiáng)塑積可以達(dá)到57 GPa·%。材料經(jīng)過(guò)冷軋變形后，強(qiáng)度達(dá)到最大，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別高達(dá)1277 MPa和1110 MPa，其中屈服強(qiáng)度提升了1倍以上，然而斷后伸長(zhǎng)率只有18.5%，此時(shí)的強(qiáng)塑積只有24 GPa·%。材料在高溫拉伸過(guò)程中強(qiáng)塑性隨著溫度的提高，均呈下降的趨勢(shì)，300℃的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別只有670 MPa和275 MPa，斷后伸長(zhǎng)率在46.5%以上。

圖2為材料在不同條件下拉伸測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖2可以明顯看出，冷軋材料拉伸過(guò)程中強(qiáng)度快速提高，然而塑性也有較大的降低，拉伸屈服后，經(jīng)過(guò)一段只有16%應(yīng)變的均勻延伸后頸縮出現(xiàn)。而不同溫度條件下拉伸屈服后，則經(jīng)過(guò)了一段大于40%應(yīng)變的均勻延伸后才會(huì)發(fā)生失穩(wěn)斷裂。同時(shí)，隨著拉伸溫度的提高，材料的強(qiáng)度和塑性均呈小幅度降低。

2．2微觀組織

不同狀態(tài)試驗(yàn)鋼的微觀組織見(jiàn)圖3，從圖3得知，固溶態(tài)材料的組織為全奧氏體組織，奧氏體晶粒呈現(xiàn)等軸狀，晶粒尺寸接近59μm，在奧氏體晶內(nèi)與晶界上并未發(fā)現(xiàn)析出相存在。經(jīng)過(guò)冷軋后的材料，晶粒沿軋制方向拉長(zhǎng)，部分晶粒出現(xiàn)滑移跡線。材料經(jīng)過(guò)100℃拉伸后的組織中大部分晶粒出現(xiàn)多個(gè)方向的滑移跡線，且?jiàn)W氏體晶粒扭曲變形。經(jīng)過(guò)300℃拉伸后的組織中大部分奧氏體晶粒晶界扭曲，且滑移系較少。

圖4為不同狀態(tài)材料的TEM組織照片，從圖4得知，固溶態(tài)材料擁有很低的位錯(cuò)密度，部分位錯(cuò)塞積排列，并伴有層錯(cuò)特征。經(jīng)過(guò)冷軋后的材料位錯(cuò)密度急劇提升，可見(jiàn)位錯(cuò)胞形態(tài)。材料經(jīng)過(guò)100℃拉伸后TEM組織中出現(xiàn)滑移帶交叉的現(xiàn)象，位錯(cuò)密度較固溶態(tài)有一定的提升。材料經(jīng)過(guò)300℃拉伸后TEM組織位錯(cuò)密度較100℃拉伸有所下降，滑移帶回復(fù)明顯。根據(jù)之前對(duì)于高氮鋼冷變形行為的研究［13］可以得知，材料在經(jīng)過(guò)87%冷變形后，奧氏體組織不會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。隨著冷變形量的提高，材料組織中會(huì)先形成泰勒點(diǎn)陣這種平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，隨著冷變形量的進(jìn)一步提高，基體中位錯(cuò)密度會(huì)進(jìn)一步提升，形成位錯(cuò)胞這種位錯(cuò)組態(tài)。

3應(yīng)變硬化及塑性下降討論

從圖1和圖2中得知，材料在經(jīng)過(guò)26%冷變形后，材料的屈服強(qiáng)度可以提升至1110 MPa，相較于固溶態(tài)，屈服強(qiáng)度提升了1倍以上，斷后伸長(zhǎng)率仍有18.5%。說(shuō)明材料在經(jīng)過(guò)26%冷軋后，強(qiáng)度得到了迅速的提升，同時(shí)塑性也快速下降。對(duì)于高溫拉伸，通常材料的強(qiáng)度隨著溫度的升高而不斷降低，塑性則會(huì)不斷上升，本文中材料的強(qiáng)度和塑性隨著溫度的升高均呈下降的趨勢(shì)。

圖5為材料的應(yīng)變硬化相關(guān)系數(shù)曲線，從圖5(a)中可以看出，材料在不同狀態(tài)下拉伸，隨著真應(yīng)變的提高，應(yīng)變硬化速率快速下降，當(dāng)真應(yīng)變進(jìn)一步提高時(shí)，應(yīng)變硬化速率會(huì)出現(xiàn)一段緩慢下降斜坡的特征，直至材料失穩(wěn)斷裂。隨著拉伸溫度的提高，應(yīng)變硬化速率緩慢下降，斜坡會(huì)逐步縮短。經(jīng)過(guò)26%冷軋后，這段緩慢下降斜坡下降至最低。從圖5(b)中可以看出，經(jīng)過(guò)26%冷軋后，材料的加工硬化率和強(qiáng)度系數(shù)處在最低的水平，隨著拉伸溫度的提高，材料的加工硬化率逐步提升至0.54，強(qiáng)度系數(shù)則會(huì)不斷的下降，由1974 MPa降至1716 MPa。

應(yīng)變硬化速率反應(yīng)了材料在變形過(guò)程中應(yīng)變硬化的能力，本文Fe-20Mn-19Cr-0.6N鋼擁有很好的加工硬化能力，在變形初期，即位錯(cuò)主導(dǎo)變形機(jī)制時(shí)期，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度快速提高。應(yīng)變硬化速率曲線一段較長(zhǎng)的緩慢斜坡是由于孿生誘發(fā)塑性機(jī)制的啟動(dòng)，使材料的應(yīng)變硬化速率得到一個(gè)緩慢的下降，同時(shí)使材料的塑性和強(qiáng)度得到一定的改善。固溶態(tài)材料中位錯(cuò)密度很低，在變形過(guò)程中，擁有非常好的應(yīng)變硬化潛力，材料經(jīng)過(guò)冷軋后，基體中擁有很高的位錯(cuò)密度，在變形過(guò)程中，應(yīng)變硬化潛力較低。而在高溫拉伸過(guò)程中，由于溫度的提升，導(dǎo)致材料的層錯(cuò)能提高，從而抑制了TWIP效應(yīng)的作用，導(dǎo)致材料的塑性并沒(méi)有固溶材料塑性高。

由于Fe-20Mn-19Cr-0.5C-0.6N鋼中擁有很高的鉻、錳以及氮含量，導(dǎo)致材料擁有一個(gè)較低的層錯(cuò)能。層錯(cuò)能越低，不銹鋼管在塑性變形過(guò)程中的擴(kuò)展位錯(cuò)越寬，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在遇到障礙物時(shí)難以束集為全位錯(cuò)通過(guò)障礙物，位錯(cuò)強(qiáng)行越過(guò)障礙物或者在障礙物前停止運(yùn)動(dòng)，典型的微觀組織特征為位錯(cuò)平面滑移。然而溫度的提高會(huì)提高層錯(cuò)能，導(dǎo)致這種硬化效果削弱。

對(duì)于高氮鋼中氮元素的硬化作用，固溶氮原子與面心立方晶格中的置換原子之間有交互作用，這種交互作用能夠引起晶格的非立方對(duì)稱結(jié)構(gòu)的畸變，且對(duì)位錯(cuò)的啟動(dòng)與滑移產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，Irvine等的研究結(jié)果表明，固溶氮原子對(duì)位錯(cuò)的阻礙能力是碳原子的1.5倍多。因此，本文研究的高氮鋼由于擁有0.63%氮含量，屈服強(qiáng)度可以達(dá)到520 MPa，同時(shí)擁有很高的加工硬化率。

因此，由于N原子對(duì)位錯(cuò)強(qiáng)烈的阻礙作用導(dǎo)致材料在經(jīng)過(guò)26%冷軋后擁有很高的強(qiáng)度，同時(shí)TWIP效應(yīng)的啟動(dòng)，使冷軋材料擁有一定的塑性。溫度的提升使層錯(cuò)能提高，從而抑制TWIP效應(yīng)的作用，使高溫拉伸材料的塑性提升較固溶態(tài)的要低。

4結(jié)論

本文對(duì)Fe-20Mn-19Cr-0.5C-0.6N鋼固溶態(tài)、26%冷軋態(tài)以及100℃和300℃拉伸變形后的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如下:

1)固溶態(tài)材料的強(qiáng)塑積可以達(dá)到57 GPa·%。經(jīng)過(guò)26%冷軋后，屈服強(qiáng)度增加一倍，提升至1110 MPa，而斷后伸長(zhǎng)率只有18.5%，強(qiáng)塑積降至24 GPa·%。

2)在高溫拉伸過(guò)程中隨著溫度的提高，材料的強(qiáng)度和塑性均呈下降趨勢(shì)。

3)經(jīng)過(guò)冷軋后，基體中擁有很高的位錯(cuò)密度，在變形過(guò)程中，應(yīng)變硬化速率下降較快，但TWIP效應(yīng)機(jī)制仍會(huì)啟動(dòng)。

4)溫度的提升使材料的層錯(cuò)能提高，從而抑制TWIP效應(yīng)的作用，使高溫拉伸材料的塑性提升較固溶態(tài)的要低。