高建斌，刘 洁，王晓军

（1.太原钢铁集团公司，山西太原 030003；2.太原科技大学材料学院，山西太原 030024）

核电堆内大锻件是影响反应堆寿命的心脏部件，材料选择上除满足强度和韧性外，还应考虑核辐射、耐磨蚀、耐冲击、耐磨损，尤其是抗蠕变等因素，304 L奥氏体不锈钢是核电常用材料之一。作为核电用钢，304 L钢的含碳、氮以及杂质元素等成分上都有特殊要求。304 L是单一的奥氏体组织，难以通过热处理方式来改变组织[1]，故只能通过严格控制高温锻造参数来细化晶粒、改善力学性能。如何获得均匀一致、高纯净度、耐高温性和耐蚀性能优异的304 L不锈钢锻件，与选择适宜的锻造工艺紧密相关。奥氏体不锈钢在高温变形时，其组织内部存在两种相反的过程，即连续的加工硬化和动态再结晶。由于动态再结晶消除了加工硬化所积聚的位错，提高了金属及合金的热塑性，细化晶粒，进而提高了材料的综合性能。

大型铸造钢锭组织结构直接与最终产品的综合性能相关联，尽管目前国内外对奥氏体不锈钢的铸、锻态下热变形行为已有一些研究[2-8]，但就核电用奥氏体不锈钢高温组织演变与性能之间的关系还缺乏较系统的研究。本文用Gleeble-1500D热模拟试验机对铸态及锻态304 L不锈钢的热变形行为特征及微观组织进行了比较研究，从304 L微观组织演变来找出加工工艺参数等因素的影响规律，以便为304 L热锻工艺的制定提供有效的理论依据。

1 试验材料及试验方法

实验材料通过真空感应炉炼得圆柱形钢锭，成分符合304 L，化学成分见表1.将钢锭轴线抛成两半，一半用于制备铸态试样，另一半经初轧后制备锻态试样，初轧工艺条件为：初始轧制温度1 250℃、变形量20%、变形速率为0.01s-1，轧制后的试件在1 050℃、保温2 h进行固溶退火处理，获得锻态试样。铸态及锻态试样尺寸均为φ10 mm×15 mm.

表1 实验用材的化学成分（质量分数，%）

采用Gleeble-1500D热/力学模拟试验机进行单向压缩试验。热变形温度为950℃～1 150℃（温度间隔50℃），变形量为0.7，变形速率为0.1s-1.热压缩后的试件迅速水淬。压缩试样采用线切割将试样沿轴向切开并进行金相样品的磨抛制备，经腐蚀液1%CuSO4盐酸溶液金相腐蚀后，观察其显微组织结构。

2 实验结果及分析

2.1 304 L不锈钢动态再结晶行为

图1为变形速率0.1 s-1、变形量0.7时，不同变形温度下铸态304 L不锈钢真应力-真应变曲线图，可以看出，随着应变量的增加应力值呈现上升趋势。在变形初期，由于位错密度增加所产生的应变硬化占据主导地位，导致流变应力增加；随着应变量的增加，动态软化作用增强，流变应力的增加趋于平缓；流变应力随着温度的升高而降低，变形温度为950℃和1 000℃时，随着应变量的增加应力值不断增加，属于加工硬化型；变形温度为1050℃、1 100℃、1 150℃时，σ-ε曲线呈现出一稳态的流变应力形态，属于动态再结晶类型。

图2为应变速率0.1s-1、变形量0.7时，不同变形温度下锻态304 L不锈钢的真应力－真应变曲线图，可以看出，950℃的曲线呈现出加工硬化特性，1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃曲线均呈现为动态再结晶特性，锻态304 L不锈钢在高温变形过程中，随着变形量的增加，应力仅在最初的变形阶段有一个较大的增幅，很快便达到最大值，随后变化趋于平缓，在图中不出现明显的应力峰值，表明加工硬化、动态再结晶处于平衡。同样随着变形温度的升高，应力值呈下降趋势。

比较铸态和锻态304 L不锈钢应力－真应变曲线图可以看出，铸态的峰值应力低于锻态的峰值应力，铸态组织的动态再结晶明显迟于锻态组织。

2.2 变形温度对高温组织的影响

2.2.1 变形温度对铸态高温组织的影响

铸态304 L不锈钢在应变速率0.1 s-1、变形量0.7，不同变形温度下的微观金相组织如图2所示。可以看出，在该变形条件下，随着变形温度从900℃～1 150℃（温度间隔50℃）的上升，原始晶粒发生了较大的变化，均沿变形方向被严重拉长。在900℃、950℃试样中主要体现为晶粒被拉长，即加工硬化为主，这与图1a）的应力-应变曲线相对应；在1 000℃、1 050℃试样中在晶体变形的同时，局部区域主要是沿着原始晶界出现了少量的细小的晶粒，即发生了动态再结晶，但整体来讲体现变形特征还是以加工硬化为主导，且随着温度增加再结晶区域也相应增加，温度达到1 050℃时对应的试样中动态再结晶过程较为完全，这也与图1a）的应力-应变曲线相对应；在1 100℃和1 150℃非常细小的晶粒已经很少，局部区域有再结晶晶粒明显粗化的倾向。

图1 304 L真应力-真应变曲线图

2.2.2 变形温度对锻态高温组织的影响

锻态304 L奥氏体不锈钢在应变速率0.1 s-1、变形量0.7，不同变形温度下的微观金相组织如图3所示。可以看出，在该变形条件下，变形温度从950℃～1 200℃（温度间隔50℃）的金相组织中，晶粒均沿变形方向发生了严重的拉长，但由于变形温度不同，因而各变形区域发生的动态再结晶程度不同。在950℃试样中主要体现为加工硬化，同时在晶界的局部区域可以看到沿着原始晶粒边界而形成的细小的动态再结晶晶粒。从1 000℃、1 050℃压缩试样金相组织来看，在晶体变形的同时，和950℃相比发生动态再结晶的区域明显增加，即温度的提高有利于动态再结晶的形成，材料的变形特征逐步由加工硬化型转向动态软化型，这一变化趋势与图1的应力-应变曲线特征相对应；当温度上升到1 100℃和1 150℃时，金相组织中已经绝大多数为非常细小的动态再结晶晶粒。但当温度达到1 200℃时局部区域可看到有再结晶晶粒的长大倾向。

图2 铸态304L应变速率0.1 s-1、变形量0.7，不同变形温度下的微观组织

图3 锻态304L应变速率0.1 s-1不同变形温度下的微观金相组织

比较图2和图3可以看出，铸态试样和锻态试样在高温时的热变形组织变化类似。当变形温度升高时，其相应的再结晶组织数量增加，当变形温度较低时（铸态小于1 000℃，锻态小于950℃），304 L钢仅在晶界处微小区域出现了动态再结晶现象，而随着变形温度的上升动态再结晶组织增多并趋于完全，但如继续提高变形温度如温度高达1 200℃时，再结晶组织就会发生晶粒长大现象。

3 结论

在本实验条件下，对铸态和锻态304 L不锈钢高温应力应变曲线进行了对比分析，并观察了高温变形过程动态再结晶组织的演变，研究结果表明：铸态的峰值应力低于锻态的峰值应力，铸态组织的动态再结晶明显迟于锻态组织；随着变形温度的升高，铸态和锻态组织的动态再结晶百分数均增大。

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［3］A.Belyakoy，H.Miura，T.Sakai，Dynamic recrystallization under warm deformation of a 304 type austenitic stainless steel，Materials Science and Engineering：A，1998，255（1-2）：139-147.

［4］张传滨，刘洁，张进学，等.核电用304不锈钢动态再结晶数学模型的建立［J］.铸造设备与工艺，2011（1）：16-19.

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