晶界特征分布对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响①_杨扬.pdf

晶界特征分布对 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 绝热剪切带自组织的影响 ① 杨 扬， 王君良 中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410083 摘 要 通过形变热处理工艺优化不锈钢的晶界特征分布,并采用厚壁圆筒外爆压缩加载实验对形变热处理前后的试样进行动态 加载,研究了晶界特征分布对 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响。 结果表明,形变热处理工艺优化了不锈钢的晶 界特征分布,特殊晶界比例尤其是∑3 晶界比例分别从 27.8％,18.9％提高到 72.5％,55.8％,一般大角度晶界被小角度晶界和特殊晶 粒团簇取代或阻断。 加载后两种状态试样的剪切带的数量和间距差别较小,但是固溶试样剪切带的平均扩展速率为 446 m/ s,最长 剪切带长度为 2.33 mm,而形变热处理试样分别为 338 m/ s 和 1.75 mm。 晶界特征分布优化对剪切带的形核影响较小,但是由于特 殊晶界比例的提高,明显阻碍了绝热剪切带的扩展,提高了高速变形条件下的抗损伤能力。 关键词 动态变形； 晶界特征分布； 绝热剪切带； 自组织行为； 厚壁圆筒外爆压缩实验； 奥氏体不锈钢 中图分类号 TG146.21文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.04.033 文章编号 0253-6099201804-0130-04 Effect of Grain Boundary Character Distribution on the Self-organization of Adiabatic Shear Bands in 1Cr18Ni9Ti Austenitic Stainless Steel YANG Yang, WANG Jun-liang School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China Abstract The grain boundary character distribution GBCD of 1Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel was optimized by thermo-mechanical treatment. The effect of GBCD on the self-organization of adiabatic shear bands in the steel was investigated by means of compression loading test of thick-walled cylinder. Results showed that the thermo-mechanical treatment optimized the GBCD of the stainless steel. The special grain boundary ratio, especially the ∑3 grain boundary ratio, was increased from 27.8％/18.9％ to 72.5％/55.8％, respectively. The high angle grain boundaries were replaced or interrupted by the low angle grain boundary and special grain boundary clusters. After loading, the difference in the number or spacing of the shear bands of the specimen with different treatment was small. However, the average propagation rate and the maximum length of adiabatic shear bands in solution treatment specimen were 446 m/ s and 2.33 mm, respectively, while those in thermo-mechanical treatment specimen were 338 m/ s and 1.75 mm, respectively. It is shown that the GBCD optimization hadn′t brought obvious effect on the nucleation of adiabatic shear bands, but hindered the propagation of adiabatic shear bands and improved damage resistance under high-strain-rate loading due to the increased proportion of special grain boundary. Key words dynamic deation； grain boundary character distribution； adiabatic shear band； self-organization； compression loading test of thick-walled cylinder； austenitic stainless steel 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢是常用的不锈钢之一, 它在 304 不锈钢的基础上加入了金属钛,使其具有更 好的耐晶界腐蚀性及高温强度,因而在航空航天领域 获得大量应用［1］。 绝热剪切是材料在高速变形条件 下一种常见的破坏机制,常存在于动态高速撞击、侵 彻、切削、高速成型、爆炸复合等高应变速率变形［2-5］ 中,而剪切带是微裂纹优先形核的区域,研究多条剪切 带的分布、间距等自组织行为对研究材料在动态变形 ①收稿日期 2018-01-23 基金项目 国家自然科学基金51274245, 51574290；NSAF 联合基金U1330126；非线性力学国家重点实验室开放基金 作者简介 杨 扬1963-,男,湖南常德人,博士,博士研究生导师,主要研究方向为材料动态变形。 通讯作者 王君良1993-,男,湖南娄底人,硕士研究生,主要研究方向为材料动态变形。 第 38 卷第 4 期 2018 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №4 August 2018 ChaoXing 下的损伤失效有重要意义。 厚壁圆筒外爆压缩加载实验由 Nesterenko［6］提 出,许多研究者利用此试验手段成功获取了多条剪切 带。 晶界设计［7］就是对中低层错能的 FCC 金属通过 形变热处理工艺,控制金属的晶界特征分布,改善与晶 界相关的性能。 晶界工程已经在奥氏体不锈钢中得到 成功应用。 但是晶界特征分布对剪切带自组织的影响 鲜有研究。 本文利用厚壁圆筒外爆压缩加载实验技术 在 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢圆筒试样成功获得多条 剪切带,探究了晶界特征分布对剪切带自组织的影响。 1 实 验 实验用材料为1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢板材,其成 分如表 1 所示。 将实验材料先进行固溶处理1 050 ℃, 50 min,水淬以获得均匀的奥氏体组织,得到固溶处理 样。 随后选取如下的形变热处理工艺固溶处理样进行 小变形总形变量 5％冷轧后,在 947 ℃的氢气气氛钼 丝炉中退火 72 h 后水淬得到形变热处理样；将固溶处 理样和形变热处理样去除表面应力层,制备 EBSD 试 样。 电解抛光液为 10％HClO4＋ 90％CH3COOH, 抛 光电压为直流25 V,时间约20 s。 利用配有 TSL-EBSD 系统的 FEI Sirion-200 场发射扫描电镜对电解抛光后 的样品表面进行扫描。 加速电压 25 kV,扫描步长 2 μm。 在二维重构条件下,按长度百分数计算各类晶 界的比例,采用 Brandon 标准［8］判定晶界类型。 表 1 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢化学成分质量分数 / CSiMnPS ≤0.12≤1.00≤2.00≤0.035≤0.030 NiCrMo其他 8.00～11.0017.00～19.00Ti5*C％-0.02-0.80 采用厚壁圆筒外爆加载实验对 1Cr18Ni9Ti 奥氏体 不锈钢进行动态加载,实验装置如图 1 所示。 加载试样 是由三层圆管组合形成的一个三明治结构,将不锈钢管 夹在两层紫铜管之间,管与管之间用环氧树脂填充粘 合。 不锈钢管内径 16 mm,外径 26 mm,壁厚 5mm,管高 76 mm。 内外铜管由塑性较好的紫铜加工而成,并且 预先在氢气保护气氛下进行了软化退火处理300 ℃, 30 min,内外铜管内径分别为 14 mm 和 26 mm,壁厚 均为 1 mm,试样周围均匀填满了粉状铵油炸药,炸药 密度 0.7 g/ cm3,爆速 3 300 m/ s,装药厚度 79.6 mm。 炸药由上端引爆,驱动试样向内压缩坍塌,坍塌试样沿 垂直轴向方向取样。 Φ28 H 76 160 引爆点 炸药 试样帽 铜管 试样 不锈钢管 PVC管 底座 图 1 TWC 实验装置图单位mm 固溶处理试样、形变热处理试样及冲击加载后的 所有试样经腐蚀抛光后,在 POLYVAR-MET 金相显微 镜下观察金相组织。 2 结果与讨论 2.1 晶界特征分布优化 图 2 是固溶处理试样和形变热处理试样相应的 OIM 重构图。 固溶处理试样经过形变热处理后,一般大 角度晶界的数量明显减少,大量的大角度晶界被低∑晶 界等特殊晶界所取代。 同时,∑9 和∑27 晶界数量明显 增加。 这是由于经过小变形5％后,变形储能显著升 高,而 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢的层错能较低,在退火 过程中难以发生交滑移和回复的形式降低变形能,因而 退火过程中易于发生局部再结晶,首先产生了以特殊晶 界等低能量晶界为主的小晶粒群,晶界迁移的过程不断 产生退火孪晶,再加上部分∑3 晶界相互作用形成∑9 和∑27 多重退火孪晶,充分发展成特殊晶粒团簇,取代 了原有的能量较高的大角度自由晶界,从而使得特殊晶 界比例增加,而且导致一般大角度晶界网络连通性被阻 断,实现了晶界特征分布的优化。 图 2 OIM 重构图 a 固溶处理试样； b 形变热处理试样 图 3 为固溶处理试样与形变热处理试样的各类晶 131第 4 期杨 扬等 晶界特征分布对 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响 ChaoXing 界比例图。 由图 3 可看出,经过形变热处理工艺后,试 样的∑3 晶界和特殊晶界比例显著增长,分别由 18.9％、 27.8％增长到 55.8％、72.5％,而相应的大角度晶界比 例则迅速降低,由 72.2％降低到 27.5％,可见形变热处 理提高了不锈钢的特殊晶界比例,优化了不锈钢的晶 界特征分布。 80 60 40 20 0 ∑3晶界 特殊晶界一般大角度晶界 比例/ 固溶试样 形变热处理试样 18.9 55.8 27.827.5 72.272.5 图 3 固溶处理试样与形变热处理试样的各类晶界比例分布 2.2 晶界特征分布对剪切带自组织的影响 2.2.1 剪切带自组织统计分析 为了更定性地表达不同等效应变剪切带的自组织 特征,对试样各个截面的剪切带情况进行了统计,按照 文献［9］所示方法测量出剪切带长度与间距统计情 况,结果见表 2。 表 2 剪切带统计表 状态 等效 应变 数 量 平均长度 / mm 最大长度 / mm 间距 / mm 0.861880.462.330.090 固溶试样0.672260.241.40.087 0.452780.0750.180.086 0.861650.351.750.103 形变热处理试样0.672170.211.090.091 0.452660.0450.110.090 由表 2 可知,当试样状态一致时,等效应变越大, 剪切带数量越少,但是平均长度越长,说明剪切带发展 越成熟,但是剪切带之间的间距变化不大。 当等效应 变相同时,固溶试样和形变热处理试样剪切带数量相 差不大,但是形变热处理试样的剪切带平均长度和最 大长度均明显更短。 2.2.2 晶界特征分布对剪切带间距的影响 图 4 是固溶试样和形变热处理试样在等效应变为 0.86 处的绝热剪切带示意图。 由图可以看出,两者的 剪切带数量和平均间距相差不大,可见晶界特征分布 优化对绝热剪切带的形核并没有明显的影响。 剪切带间距能够很好地反应自组织特征。 根据 Grady-Kipp［10］,Wright-Ockendon［11］,Molinari［12］分别建 图 4 等效应变 0.86 时剪切带间距示意 a 固溶试样； b 形变热处理样 立的预测剪切带间距的模型,以及根据相关参数［13］可 以计算出相应模型的间距预测值 LGK、LWO、LMO,表 3 给 出了应用不同模型计算所得的剪切带间距值和两种试 样实验所得间距的平均值。 表 3 剪切带间距模型预测值与实验值 预测值实验值 LGK/ mmLWO/ mmLMO/ mmL固溶试样/ mmL形变热处理试样/ mm 1.700.110.090.0880.095 由表 3 可知,基于摄动分析的 WO 模型和 MO 模 型预测的间距值与实验值较为吻合,说明剪切带早期 形核较为均匀。 而 GK 模型预测剪切带间距值与实验 数据相差较大,高出实验值一个数量级,这是由于 GK 模型是基于一维扩散用来预测成熟剪切带之间的间 距,没有考虑剪切带初始形核的扰动因素。 经过晶界特征分布优化,虽然特殊晶界比例增加, 晶粒尺寸较小,但是在高应变速率高变形条件下,初始 形核的小扰动因素如试样内表面的机加工粗糙度导致 的局部应力集中对剪切带间距起决定作用,因此晶界 特征分布对剪切带形核的影响较小。 2.2.3 晶界特征分布对剪切带扩展速率（长度）的影响 由表 2 可知,在相同等效应变下,形变热处理试样 的剪切带长度普遍比固溶试样较短,其一可能是由于 经过形变热处理之后,本身产生了较多的退火孪晶,在 加载过程中又产生了大量的形变孪晶,较多的形变孪 晶减少平均自由程,这就导致了较高的应变硬化速率。 徐肖等人［14］在研究晶界特征分布优化对 304 奥氏体 不锈钢力学行为的影响时发现,经过晶界特征分布优 化,屈服强度增加了 100 MPa 左右,因此经过形变热 处理,剪切带的扩展受到阻碍,使得形变热处理试样中 剪切带扩展速率降低。 实际上,根据 Meyers 方法［15］得到加载的剪切应 变速率为 1.48105s -1 ,与此对应的径向应变速率为 ˙ εrr ＝7.4104s-1,在剪切带不同阶段的径向应变 εrr可 由式1求得 231矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing εef＝ 2 3 εrr＝ 2 3 ln r0 rf ■ ■ ■ ■ ■ ■1 这里 r0,rf分别为参考点的初始和最终半径。 再根据 公式2可以计算出两种应变之间的持续时间 Δt Δt ＝ εrr ˙ εrr ＝ εrr1 - ε rr2 ˙ εrr 2 式中 εrr1,εrr2分别代表 2 个不同阶段应变。 从表 2 可以得到各个不同有效应变阶段所产生剪 切带的最大长度,由最长剪切带长度的差值可以估算 出剪切带发展各个阶段的平均扩展速率,如表 4 所示, 表中 ΔL 表示各阶段之间最长剪切带的差值。 表 4 不同状态下剪切带发展各阶段平均扩展速率 试样Δt/ μsΔL/ mm平均扩展速率/ ms -1 固溶试样 2.571.22475 2.230.93417 形变热处理试样 2.570.98381 2.230.66296 从表 4 可以看出,两种试样在剪切带扩展的前期 速率均比后期要大,但是不论是剪切带发展前期还是 后期,形变热处理试样的扩展速率都明显小于固溶试 样,固溶试样的整体平均扩展速率为 446 m/ s,而形变 热处理试样的为 338 m/ s。 这可能是因为晶界特征优 化后,材料内部大角度晶界网络被形成的大量的以∑3 晶界为主的低能特殊晶界所打断,如果把晶界对裂纹 的阻挡效应看成是一种界面能效应,则晶界能越低越 稳定,对剪切带的扩展阻碍作用越大,再加上特殊晶界 本身较一般大角度晶界小的扩散率和晶界滑动速率,以 致剪切带在扩展过程中所消耗的能量较高,遇到的阻力 较大,因此剪切带的扩展速率较小。 在应变速率相同的 情况下,扩展速率越小,获得的剪切带长度越小。 3 结 论 1 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢经过形变热处理后, 特殊晶界比例特别是∑3 晶界组分得到提高,两者分 别由 27.8％、18.9％增长到 72.5％、55.8％,而大角度晶 界比例急剧下降,大角度晶界被小角度晶界和特殊晶 粒团簇取代或阻断,晶界特征分布得到了优化。 2 实验获得多条剪切带,实验间距值与理论预测 较吻合；同时晶界特征分布优化对剪切带形核没有明 显影响,因为试样内表面的机加工粗糙度导致的局部 应力集中等小扰动因素对剪切带形核起决定作用。 3 在厚壁圆筒外爆压缩加载的应变速率均为 1.48 105s -1 时 ,固溶试样剪切带的平均扩展速率为 446 m/ s,最长剪切带长度为 2.33 mm；而形变热处理试 样平均扩展速率为338 m/ s,最长剪切带长度为1.75 mm。 经过晶界特征分布优化,退火孪晶和∑3 晶界增加,一 般大角度晶界被更稳定的特殊晶界所取代,剪切带在 扩展过程中遇到的阻力更大,导致剪切带扩展速率和 长度明显减小。 参考文献 ［1］ Robinson J H, Nolen A M. 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