316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型

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1、Vol. 21 No. 1Feb. 2014第21卷第1期2014年2月张佩佩隋大山 齐珂崔振山JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGdoi： 10 3969/j. issn. 1007-2012. 2014. 01.009316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型(上海交通大学塑性成形技术与装备研究院，上海200030)摘35:利用Gleeble热模拟压缩实验.研究316LN奧氏体不锈钢在温度95OC125OC.应变連率0. OOls1 1.0S1下的高温变形特征，并测得相应的流动应力曲线。对实验数据进行计算拟合，建立加工硬化动态回复和动 态再结晶“两阶段”高温流动

2、应力模型、动态再结阳百分数及晶粒尺寸模型。将所建模型写入有限元软件进行数值 模拟.其结果与实验吻合.说明该模型准确可靠，可用于316LN热变形过程的数值模拟.关键词：316LN钢；热变形流动应力模?0$动态再结晶,数值模拟中图分类号：TG316文献标识码：A文章编号:1007-2012 (2014) 01-0044-08Modeling of flow stress and dynamic recrystallizationfor 316LN steel during hot deformationZHANG Pei-pei SUI Da-shan QI Ke CUI Zhen-shan(In

3、stitute of Forming Technology & Equipments Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030 China)Abstract: Based on the Gleeble hot compression tests9 the hot deformation property and flow stress curves of 316LN stainless steel were investigated under the temperature range 950C 1250C and strain rate

4、C. 001s-1 1 0s1. By regression on the experimental data国家科技重大专项资助项目(2011ZX040144)51)；国家 973计划资助项目(2011CB012903)。张佩佩 E-mail： peipei85zhang作者简介：张佩佩，女，1989年生，硕士研究生收稿日期：2013-08-22,修订日期：2013-09-02 a aTwo-stagew flow stress model* a dynamic recrystallization volume fraction and grain size model of 316LN w

5、ere ptahlished. MrravprmndeU wprp intpgrAfpd intn thp niimpricAl imuUtinn soft ware. The simulation results werecompared with the experimental data* which proves the validity of the models. Those models can be applied to numerical Simula tion for 316LN during hot deformation processKey words： 316LN

6、steel； hot deformation； flow stress model； dynamic recrystallization； numerical simulationVol. 21 No. 1Feb. 2014Vol. 21 No. 1Feb. 2014引言316LN奥氏体不锈钢在使用状态下的微观组织 为单相奥氏体，因其具有优良的腐蚀性、高温力学 性能和冲击韧性，被广泛用于管道、换热器、高温 螺栓等关键零部件。由于316LN钢在力学性能和 耐腐蚀性方面的优良性能满足核电材料的技术要求, 已成为第三代压水堆核电站主管道的重要材料。美 国西屋公司设计的第三代核电技术AP1000电功率

7、 高达125OMW,寿命延长到60年。这对作为核电 站主动脉的主管道在制造工艺上提出了更高的技术 要求，由原来的分段焊接成形改为超低碳奥氏体不 锈钢一体化锻造成形，整体式管道消除了焊缝，降 低了在役检査工作录，但同时大大提高了制造加工 的难度。通常,316LN不锈钢无同素异晶转变，无法通过 热处理细化晶粒，锻造过程中的热变形行为、软化 机制的作用成为获得细晶组织的主要手段，因此 316LN的高温成形特性很快成为研究热点。目前, 这方面的研究主要集中在316LN不锈钢的锻造裂纹 分析、再结晶行为以及微观组织演变规律,如文献4 研究了髙温水环境下316LN的应力腐蚀开裂，文献 5-6研究了加热规范

8、、锻造工艺参数对材料组织及 其性能的影响:文献3,7-8则对热变形过程中的动 态再结晶行为进行了实验研究并建立了模型。本文利用Gleeble热模拟等温压缩实验，研究 316LN钢热变形行为，分析材料的流动应力曲线和 47塑性工程学报第21卷高温变形特性，利用多元线性拟合建立了高温流动应 力模型、动态再结晶百分数以及晶粒尺寸模型，并对 比模拟结果与实验结果，验证了模型的准确性，为 316LN钢热塑性变形过程的数值模拟提供理论基 础。1流动应力数学模型的建立高温应力应变曲线一般表现为3种类型【J,第 一，仅有加工硬化作用，应力随应变持续增大；第 二，加工硬化和动态回复同时作用，应力随应变增 大并逐

9、渐趋于稳定；第三，加工硬化、动态回复和 动态再结晶同时存在，曲线有明显的峰值点和后续 应力下降阶段。因此，可通过高温流动应力应变曲 线定性判断材料动态再结晶发生的情况，如图1所 示。具有明显动态再结晶特征的材料，其流动应力 曲线为第3种情况。从初始应力开始，以(4, 6) 为分界点，变形过程分为两个阶段，即加工硬化-动 态回复阶段，流动应力随应变迅速上升；另外是动 态再结晶阶段，当变形量达到临界值后，材料开始 发生动态再结晶，应力达到峰值后下降并趋于稳态。 若不发生动态再结晶或再结晶程度过低，在加工硬 化和动态回复的共同作用下，应力达到另一个平衡 状态，即饱和应力6。流动应力曲线上这些具有重

10、要物理意义的应力应变值是确定流动应力模型和动 态再结晶模型的重要参数。图1典型的高温流动应力-应变曲线Fig. 1 Typical flow stress-strain curve1.1热变形初期(氏)位错密度由加工硬化引起的位错密度增加和动 态回复引起的位错密度降低共同决定，表示为： = u-ap(1)式中p位错密度，初始值为u加工硬化n动态回复产生的软化量对式(1)进行积分：厂务一討+砂小当 dp/de=0 时：。=务p.为稳态时的饱和位错密度，对应饱和应力6, 将式(3)带入式(2),并引入经典应力-位错关系 式叫=a邮$ Q为材料相关的常数，“为剪切模 量，6为滑移方向的原子间距)，可

11、得：= & + (卅一OeF。， 式中 硼未发生动态再结晶阶段的应力6和应力6初始应力1.2动态再结晶阶段当应变增加到时，材料开始发生动态再 结晶，该阶段应力模型的建立需要借助动态再结晶 动力学模型山：式中X*动态再结晶百分数5峰值应变ef临界应变爲，取决于材料参数和变形条件同时，动态再结晶百分数与应力参数之间的关 系表达式为：二，(6) 6 几式中OWH第一阶段应力的外延值6和应力5稳态应力结合式(5)和式(6),可得动态再结晶阶段的应力模型：采用式(4)和式(7)建立316LN钢的两阶段流动应力模型，同时得到动态再结晶百分数模型2热模拟等温压缩实验实验用316LN钢，试样为010mmX 1

12、5mm的 圆柱体，使用Gleebl3500热模拟实验机进行等温压缩实验。变形温度分别为950C、105CTC、 1150-C. 1250X2,应变速率分别为 0.001s-1 0. 005s-1. 0.01S-】、0.1 s 1. Os-1 o 试样以 10-C/s的速度加热至1250*C保温3min,再以 10-C/s的速度冷却至变形温度，保温30s消除温度 梯度，然后开始压缩，变形结束后水冷淬火。将所 得试样经切割、磨制和腐蚀制成金相试样，观察微 观组织。实验所得316LN钢在不同变形条件下的流动应 力曲线如图2所示。可见，流动应力受变形温度、 应变量和应变速率的综合影响，总体变化趋势表现

13、 出一定规律。在给定的变形温度和应变速率下，由于材料在 变形初期受加工硬化和动态回复的共同作用，流动 应力表现为随应变的增大而上升，且增大速率逐渐 降低。当超过一定应变时，多数变形条件下的流动 应力曲线出现峰值，超过这个峰值点后流动应力开 始下降，最后趋于稳定。这符合典型的加工硬化-动 态回复和动态再结晶两阶段应力曲线，说明316LN 钢在压缩变形过程中发生了明显的动态再结晶。尤 其是，在低温7=950,高应变速率e = 0. Is1 1. 0s-的条件下，流动应力无明显下降过程，说明 材料未发生动态再结晶。问时发现，在相同的变形温度卜，对应同一应 变值，流动应力随应变速率的增大而升高，峰值应

14、 变值也越大；在相同的应变速率下，流动应力随温 度的升高而降低，峰值应变也越小。可见，变形温 度的升高和应变速率的降低有利于降低流动应力和 促进动态再结晶过程。3流动应力模型参数的确定3.1热激活能模型动态再结晶行为与热激活能、热变形温度和应 Zener-变速率有关，用温度补偿的应变速率因子 Hollomon参数来描述三者的综合作用:Z = eexp=A(sinh(a(y)(8)式中应变速率T变形温度Q热变形激活能R摩尔气体常数A, a, “一与材料本身相关的常系数 。取峰值应力6,可直接从应力曲线上读取。0.20.40.60.81.0真应变40035030025020010050 cads盍

15、 Mo0.0feO.l/s0.001/s0.20.81.00.40.6真应变806040200080旳40勿真应变图2 316LN钢高温流动应力应变曲线a) 950 b) 1050 c) 1150 d) 1250Fig 2 Experimental flow stress-strain curve of 316LN对式(8)取对数并微分，整理可得热激活能的求 解公式：Qxr =d lne-rd ln(sinh(aa)11d ln(sinh(gp).Tcom/.(t).(9)第1期张佩佩等：316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型#由式(8)可知，当温度恒定时，ln(sinh(gp)与 lne呈

16、线性关系；当应变速率一定时，ln(sinh(a。) 与(1/T)呈线性关系，如图3所示；将线性回归结 果代入式(9),可得316LN钢动态再结晶激活能 Q“ =457. 662kJ/molo将Q“值代人式(8),由lnZ4n(sinh(a6)关系 可进一步确定A、“值，得到Z参数模型，即热激活模 型(相关系数R=0. 99678)：r / 457662. OxZ = exp =(JD)q.ss)ob图3峰值应力与应变速率.温度的相关性a) ln(sinh()-lnei b) ln(sinh()-(1/T)Fig. 3 Relationship between peak stress and s

17、train rate、temperature3.2特征应力应变值的建模如上所述，流动应力曲线上特征点的应力应变 值是流动应力模型中的重要参数。有学者囚认为, 这些参数可表示为初始晶粒尺寸和Z参数的函数。 初始晶粒尺寸相同时，分别用如下模型表示这些应 力应变值，其中K、加、A】为待定参数：X = KZm. X = 6， s， f (11)Z = Asinh(oX)*, X = ag, (12)从流动应力曲线可直接得到不同变形条件下 6、兀、即的值，代入模型进行多元线性回归，可 得：6 = 2. 4937(13)兀=92. 6803 X sinhd. 9974 X lOZ0 2140)(14)5

18、= 0.0082Z89(15)6、赛不能直接从实验曲线上获得，可从加工 硬化率& (&=%/de)随应变的变化曲线上求取。 具有高温应变软化待征的材料在变形过程中，曲 线一般分为3段，如图4所示。第一段为从初始到 临界应力点，由于动态回复的作用，硬化率快速下 降，曲线具有咬大斜率；第二段为从临界应力到峰 值应力，0仍为正但下降更快；第三段为从峰值应 力到稳态应力，动态再结晶引起的软化作用开始占 主导地位，加工硬化率为负，达到稳态时又回升至 零。旳7的拐点对应的横坐标即为临界应力叭，再结 合实验获得的流动应力曲线，可得各变形条件下临 界应变&的值，并建立模型为：6 = 0. 0004Z01553

19、(16)从4处按第一阶段的变化趋势做一条虚线，与 横轴的交点即为6。按此方法求得不同变形条件下 的饱和应力值，并建立模型：6 = 92. 6803 X sinh-1 (4. 2620 X lOZ0 2*92)(17)3.3动态回复系数、动态再结晶百分数模型表征动态回复软化程度的参数n可用式(11)的 形式建立模型，选取应力曲线上位于第一阶段的一 点，将其应力应变值代入式(4),可求得不同变形条 件下的G值。拟合数据结果如图5所示，可得C模 型：G = 210. 2021旷 726(18)同样，动态再结晶百分数可根据式(6),从流动 应力曲线上获取相关数据计算得出。结合式(5)和式 (6),可以

20、确定参数弟和，由此得到X*的模型:第1期张佩佩等：316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型49X* = l-exp-O 4437(), eef(19)图5 OZ关系图Fig. 5 Relationship between Q and Z综上所述，316LN钢高温流动应力模型中的参 数已全部确定，代入式(4)和式(7),即可得到完整 的两段式流动应力模型。3.4动态再结晶尺寸模型动态再结晶后的晶粒尺寸受变形温度和应变速 率等因素的共同作用。图6所示为应变速率为图6应变速率0. 005/s,不同温度下的微观组织 a) 1053 b) 1150 c) 1250Fig. 6 Microstructur

21、e after deformation at strain rate of 0 005/s under different temperatures0.1S-】时，1050-C1250C温度下的微观组织.温 度越高，发生完全动态再结晶后的晶粒越大；图7 所示为温度为1150*0时，0. 005s-1l.OsT速率下 的微观组织，由图可知，应变速率越大，发生完全 动态再结晶后的晶粒越小。由此可知，在动态再结 晶参数范围之内，采用较大的应变速率和较低的变 形温度有利于获得细小的再结晶晶粒。但上述流动 应力结果表明，这会提高流动应力并加大动态再结 晶发生的难度，因此在实际的工艺选择中，应综合 考虑多

22、方面的影响因素来确定合适的变形温度和应 变速率。b图7温度为1150C，不同应变速率下的微观组织 a) 0.005/s； b) 0.01/s； c) 1/sFig- 7 Microstructure after deformationat 1150*C with different strain rates将完全动杰再结晶后的晶粒尺寸与参数Z建立 关系式并拟合实验数据(见图8),可 得动态再结晶的尺寸模型：础少=2. 7248 X 1052 2531(20)3.5建立模型的验证按照建立的流动应力模型计算各变形条件下的87 -实验值 拟合结果图8关系图Fig. 8 Relationship be

23、tween nD% and InZ应力，部分条件下计算值与实验值的对比如图9所 示。由图可知，所建立的模型无论是在加工硬化-动 态回复阶段还是动态再结晶阶段，都与实验结果吻 合较好，最大误差在10%以内，为后续的数值模拟 工作提供了理论依据。200150500.00.20.40.60.81.0真应变图9 316LN钢流动应力计算值与实验值的对比a) 1150Ci b) 125OFig. 9 Comparing between the calculated and experimental results of flow stress for 316LN1004数值模拟应用将所建立的动态再结晶百

24、分数和晶粒尺寸模型， 通过二次开发工具写入有限元软件DEFORM-3D 中，并对040mmX 60mm圆柱体试样的徹粗过程进 行数值模拟。已知条件包括上下模材料为H13模具 钢，初始温度20C,坯料初始温度12009,坯料与 空气、模具之间的换热系数分别为 0. 02N/（mm s 0、5 0N/（mm s 坯料 与上下砧之间摩擦因子为05,坯料空置10s后开 始变形,上模压下速率4. 5mm/s,压下率50%。锹粗结束时，坯料温度场、应变场、应变速率 场及晶粒尺寸分布如图10所示。典型圆柱体缴粗实 验的变形区域分为中心大变形区、侧部小变形区和 上下表面难变形区，分别从3个区域取点Pl、P2、

25、 P3,利用点追踪功能得到其温度、应变、应变速率 及晶粒尺寸的变化规律，如图11所示。31822012223.7Strain rate-cffectie/mm/mm/secAverage grain size田10徹粗实验模拟结果a）温度I b）等效应变；c）等效应变速率）d）晶粒尺寸Fig. 10 The simulation results of upsetting由图11中可知，试样各区域的动态再结晶程度 不同，中心部位温度最高，局部等效应变和应变速 率场最大，动态再结晶程度充分，最终获得的晶粒 较细；相反，试样与模具接触的上下表面区域，由 于降温迅速，几乎不发生变形，未发生动态再结晶,

26、 最终得到的晶粒与初始晶粒大小相当。在实际工况条件下进行该圆柱体的锹粗实验, 并在大变形区、小变形区和难变形区3个部位取样 观察，得到的晶粒组织如图12所示。计算P1、 P2、P3 3个区域的晶粒大小，分别为20. 8um.第1期张佩佩等：316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型518图12 Fl、P2、P3不同变形区的微观组织a) Pli b) P2, c) P3Fig. 12 Microstructure of Pl P2、P3in different deformation region第1期张佩佩等：316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型#第1期张佩佩等：316LN钢高温流动应力与动

27、态再结晶模型#10 12350300实验值 f模拟值141618时间/s第1期张佩佩等：316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型#图11 Pl. P2、P3点的各模拟值对比a）温度）b）等效应变）c）等效应变速率；d）晶粒尺寸Fig. 11 Comparing of simulation results of Point 12、31104pm、345.与模拟结果的对比如图13所示，由图可见，发生了动态再结晶的中心部位的晶 粒尺寸模拟结果与实验结果有较好的一致性，验证 了所建立微观组织模型的实用性，而对于小变形区 和难变形区，动态再结晶程度有限，未发生动态再 结晶的原始晶粒在高温度变形时存在长大

28、过程，晶 粒实测值均偏大于模拟值。Pl P2 P3图13数值模拟结果与物理实验平均晶粒尺寸对比Fig. 13 Comparing of average grain sizebetween simulation and experiment5结论1）针对核电主管道材料316LN奥氏体不锈钢 的高温坯性变形待性，通过Gleeble热模拟压缩实 验测得不同变形条件下的流动应力曲线，求解出 316LN钢的热变形激活能为457. 662kJmol-】。2) 采用加工硬化动态回复和动态再结晶“两 阶段”流动应力模型，建立了 316LN钢的高温流动 应力模型、动态再结晶体积百分数和晶粒尺寸模型， 并验证了模

29、型的准确性。3) 利用有限元软件DEF0RM-3D,进行了圆 柱体傲粗过程的数值模拟。模拟结果与实验结果对 比表明，两者吻合较好，证明了该模型的有效性和 可靠性，从而为316LN钢的锻造工艺数值模拟提供 了理论依据。参考文献1 魏猛陈海涛郎字平等.316LN不锈钢动态再结晶研 究J材料热处理技术2012. 41(14):97-1012 宋树康，刘志颖，郑建能等.第三代AP1000核电主管道 的研制J大型铸锻件2011.(1):1-43 柏永青，陈明明，陈慧琴.316LN热变形行为及动态再 结晶晶粒的演变规律J.太原科技大学学报,2009. 30(5) :424-4274 YANG WuLI G

30、uangfu HUANG Chunboet al Stress corrosion cracking of nitrogen-containing stainless steel 316LN in high temperature water environments J Chinese Joumalof Mechanical Engineerings 2010. 23(6) :677-6835张义帅张秀芝出杳躺等加热规范对316LN術态理 氏体不锈钢组织和性能的影响J材料热处理技术 2011. 40(18):180-1826黑志刚，段兴旺,刘建生.温度和应变速率对316L钢高 温性能的形响J

31、.太原科技大学学报2012. 33(4)： 290-2937 Sung-Il Kim, Youngseog Lee. Byoung-Lok Jang. Modeling of recrystallization and austenite grain size for Al- SI316stainiess steel and its application to hot bar roll- ingj Materials Science and Engineering A. 2003. 357：235-2398潘品李，钟约先，马庆贤等.核电主管道用钢316LN高 温变形性能研究J1中国机械工程2

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34、316LN钢高温流动应力与动态再结晶模型#316LN冈高温流动应力与动态再结晶模型作者：张佩佩，隋大山，齐珂，崔振山，ZHANG Pei-pei, SUI Da-shan , QI Ke , CUI Zhen-shan作者单位：上海交通大学塑性成形技术与装备研究院上海,200030刊名：塑性工程学报|馆门口| PKU英文刊名：Journal of Plasticity Engineering年，卷(期):2014,21(1)参考文献(12条)1. 魏猛陈海涛;郎字平316L不锈钢动态再结晶研究期刊论文-材料热处理技术2012(14)2. 宋树康;刘志颖;郑建能第三代APl000核电主管道的研制

35、期刊论文-H大型铸锻件2011(1)3. 柏永青;陈明明;陈慧琴316LI热变形行为及动态再结晶晶粒的演变规律期刊论文-H太原科技大学学报2009(5)4. YANG Wu;LI Guangfu;HUANG ChunbStress corrosion cracking of nitrogen-containing stainless steel 316LN in hightemperature water environments 2010(6)5.张义帅;张秀芝;田香菊力口热规范对316LI铸态奥氏体不锈钢组织和性能的影响期刊论文-材料热处理技术2011(18)6.黑志刚;段兴旺;刘建生温度

36、和应变速率对3161钢高温性能的影响期刊论文-H太原科技大学学报2012(4)7. Sung-I1 Kim;Youngseog Lee;Byoung-Lok Jang Modeling of recrystallization and austenite grain size forAISI316stainless steel and its application to hot bar rolling20038.潘品李;钟约先;马庆贤核电主管道用钢316LI高温变形性能研究期刊论文-H中国机械工程2012(11)9. Laasraoui A;Jonas JRecrystallization

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