9Cr18不锈钢热变形行为研究

赵翠清，宋仁伯，赵 聪，潘东远

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京，100083）

9Cr18属于马氏体不锈钢，淬火后具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性，常用于制作不锈钢轴承，而轴承零件经常处于摩擦、高温等工况。近几十年来，国内外关于9Cr18不锈钢的研究报道有很多，其中大多数是对其耐磨性和耐蚀性的研究，或是针对具体轴承零件的特点进行的工艺改良，而针对9Cr18不锈钢热变形行为的研究还相对较少。为此，作者采用Gleeble－1500型热模拟试验机对9Cr18不锈钢进行不同参数条件下的高温压缩试验，研究变形温度、应变速率等对其变形抗力的影响，并建立9Cr18的变形抗力模型，分析其在高温压缩过程中的变形特征，以期为9Cr18不锈钢在实际生产中的工艺参数制定提供参考。

1 试验材料与方法

试验材料为符合GB／7 1220—2007的9Cr18棒料，直径为10 mm，其化学成分如表1所示。采用车削加工除去棒材表面1 mm厚度材料，径向切割，制成φ8 mm×15 mm的标准压缩试样。

表1 9Cr18不锈钢的化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of 9Cr18 stainless steel

高温压缩试验在Gleeble－1500型热模拟试验机上进行，氩气保护。采用圆柱形碳化钨作压头，试验时压缩端面涂抹MoS2高温润滑剂，以减小由摩擦引起的试验误差，保证变形的均匀性和稳定性［1］。

采用DSC差热分析扫描仪测出试样熔点为1 384℃，根据熔点制定热压缩试验温度为850～1 100℃，变形速率为0.01～10.0 s－1。试验设计工艺如图1所示。

图1 热压缩试验工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of hot compression deformation

2 结果与分析

2.1 应力－应变曲线分析

图2为试样在不同工艺条件下的真应力－应变曲线。由图2可以看出，试样在不同的应变速率或应变温度下变形的过程中都出现了峰值应力，即都发生了动态再结晶。

图2 9Cr18不锈钢的真应力－应变曲线Fig.2 True stress－true strain curves of 9Cr18 stainless steel

图3 9Cr18不锈钢加工硬化率与流变应力的关系Fig.3 Relationship betweenθandσfor 9Cr18 stainless steel

图4 9Cr18不锈钢的动态再结晶临界应变量Fig.4 Critical strains of dynamic recrystallization for 9Cr18 stainless steel

由图2可见，应力达到峰值后的应力－应变曲线变化规律可分为两种：①850℃和900℃时应力－应变曲线明显下降，且直至形变结束也没有出现平稳或再度上升的现象。这表明随着应变量的增大，试样的加工硬化效果逐渐显著，由图4可见，该温度下动态再结晶临界应变量εc较大，因此晶粒需要变形到一定程度以储存足够大的畸变能为第二轮动态再结晶晶粒的形核与长大提供动力；②950～1 100℃时应力－应变曲线随变形量的增大先有小幅度降低，后逐渐趋于平缓。这是由于该温度下εc较小，第二轮动态再结晶晶粒形核长大容易进行，动态再结晶的进行所引起的软化作用与加工硬化相持平，最终达到加工稳定硬化阶段。

图5 高温压缩试样显微组织（＝0.5 s－1）Fig.5 Microstructures of samples at different deformation temperatures（＝0.5 s－1）

2.2 变形抗力模型的建立

变形抗力模型的研究以考虑变形温度、应变速率和应变量等宏观量对流变应力的影响为主，近年来国内外对不同钢种在不同条件下变形抗力模型的研究有很多，比较成熟的有Cigara模型、Hollomon模型以及周纪华－管克智模型等［4－6］。参考用于不锈钢的流变抗力模型和经验公式，结合理论研究以及多次曲线拟合、回归分析和精度检验，最终确定周纪华－管克智模型［6］能够较好地描述9Cr18热压缩变形抗力与各变量的关系：

式中：σ为流变应力，MPa；σ0、a1～a6为待定常数；ε为应变量为应变速率，s－1；T为热力学温度，K。由式（1）可知，变形温度与变形抗力为对数关系，应变速率与变形抗力为双对数关系，变形程度与变形抗力近似为幂函数关系。

利用1stOpt软件对试验数据进行拟合。采用麦夸特法（Levenberg－Marquardt）和通用全局优化法进行计算［7］，计算用时55 min，迭代次数为35，拟合结果如表2所示。

表2 拟合结果Table 2 Fitted values

将参数的最佳估值代入式（1），确定9Cr18不锈钢变形抗力模型为：

对该模型进行误差分析，得到相关系数R＝0.991 9，均方差为13.104 9，表明模型拟合度较高。

图6为不同工艺参数下根据模型计算与实测得到的真应力－应变曲线比较，从图6中可以看出模型计算数据与实测数据的吻合性良好。

图6 实测与拟合的真应力－应变曲线对比Fig.6 Comparison of measured and simulated true stressstain curves

2.3 热变形方程的建立

试样在高温压缩热变形过程中，动态再结晶的发生是一个热激活的过程，需要一定的形变激活能Q。能否发生动态再结晶与Zener－Hollomon（Z－H）参数和ε有关［8］。

试样的峰值应力与应变速率的关系如图7所示。从图7中可以看出，应变速率相同时，变形温度越高，峰值应力越低。

图7 应变速率与峰值应力的关系Fig.7 Relationship between lnε·and ln sinh（）［］ασ

钢的应力－应变关系取决于应变速率和变形温度T，可用Z－H参数表示为［9－10］：

式中：Z为Z－H参数，其物理意义是温度补偿的变形速率因子；R为气体常数；n、α和A均为常数，与材料本身有关；Q为形变激活能，kJ／mol，它能反映材料热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数［11］。

通过转化可得热变形流变应力方程：

利用最小二乘法对峰值应力的双曲正弦函数进行线性拟合，通过斜率的计算可以得到9Cr18不锈钢热变形的形变激活能Q＝461.7 kJ／mol，其值高于一些常见钢种的形变激活能，即9Cr18不锈钢热变形相对较难进行，而这恰恰适用于常处于摩擦、高温等工作环境中的轴承类零件，以保证其耐高温性能。

结合式（4）和式（5）可以得到常数n、α和A的值分别为7.884 99、0.004 34和2.468 17×1018。

将形变激活能代入式（3）中得到Z－H参数的表达式为：

将形变激活能与各常数带入式（4）中，得到9Cr18的热变形流变应力方程为：

3 结论

（1）应变速率一定时，9Cr18动态再结晶临界变形量εc随温度的升高而降低，高的形变温度和低的应变速率有利于再结晶的发生。

（2）基于周纪华－管克智模型得到9Cr18不锈钢变形抗力模型为：

且该抗力模型的拟合性较好。

（3）9Cr18不锈钢形变激活能Q值为461.7 kJ／mol，其Z－H参数表达式为：

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