鞠传华，刘雪丽，郭玉香

（济钢集团有限公司 技术监督处，山东 济南250101）

应变速率对高氮奥氏体不锈钢塑性流变行为的影响

鞠传华，刘雪丽，郭玉香

（济钢集团有限公司 技术监督处，山东 济南250101）

研究了室温拉伸时应变速率对高氮奥氏体不锈钢18%Cr-18%Mn-0.65%N力学性能和塑性流变行为的影响。结果表明，随应变速率的升高，试验钢的屈服强度Rp0.2升高，而抗拉强度Rm及塑性略有降低；在各应变速率下，试验钢的塑性流变行为均可以用Ludwigson模型进行描述；应变速率的升高对试验钢流变方程参数的影响如下：1）强度系数K1、应变硬化指数n1和n2减小，试验钢的加工硬化能力降低；2）真实屈服强度TYS降低；3）瞬变应变εL减小，表明升高应变速率能够促进位错多系滑移和交滑移。

高氮奥氏体不锈钢；应变速率；塑性流变；力学性能

1 前言

高氮奥氏体不锈钢由于氮的引入而成为一种拥有高强度、良好的塑性和韧性以及良好耐蚀性能的工程材料，在航空、化工、核工业、医用材料及汽车等领域的应用越来越广［1-2］。其高的强度归因于氮的固溶强化和由于氮引起的晶粒强化［3］，而冷变形能使该种钢获得更高的强度［4］。

对于很多金属和合金而言，冷变形过程中的均匀塑性变形阶段的加工硬化行为可以用Ludwik方程进行描述，即：，式中σ和ε分别为真应力和真应变，n1为应变硬化指数，K1为强度因子。该方程在双对数坐标轴中为一条直线，直线的斜率即为n1。然而，对于奥氏体钢和其他低层错能的、具有面心立方结构的金属和合金来说，其真应力-真应变曲线在双对数坐标轴中并不是一条直线，因而Ludwik方程并不能准确地描述该类金属和合金的加工硬化行为［5］。为此，Ludwigson对Ludwik方程进行了修改，提出了Ludwigson方程：

此方程能更好地描述具有面心立方结构的金属和合金的加工硬化行为［5-6］。

关于高氮奥氏体不锈钢的冷加工硬化行为和机理已有学者进行过研究［1，5］。然而，这些研究的重点都是在同一变形条件下,考察成分对试验材料在变形过程中的加工硬化和流变行为的影响，关于应变速率对这类钢的塑性流变行为的影响的研究较少。因而，本研究主要考察变形速率对不同氮含量的CrMnN高氮奥氏体不锈钢力学性能和塑性流变行为的影响，并对相关现象进行解释，为该种钢的加工和使用提供参考。

2 试验材料和方法

试验用高氮奥氏体不锈钢采用真空感应炉+电渣炉双联工艺熔炼而成，其化学成分（质量分数）为：Cr 18.3%，Mn 17.9%，N 0.65%，C 0.05%，Si 0.25%，P 0.015%，S 0.002%，余量Fe。铸锭在1200℃下锻造和热轧成12 mm厚的板。热轧板经1 050℃保温1 h水冷后，加工成直径为5 mm、标距为25 mm的圆柱形标准拉伸试样，试样夹头为M10×1.5螺纹。

拉伸试验在DCS-10万能试验机上进行，拉伸速率分别为 1.33×10-3s-1、1.33×10-2s-1和 1.33×10-1s-1。每个应变速率下进行3次重复试验，最终数据为重复试验的平均值。为了获得准确真实的应力-应变曲线，试样在发生颈缩之前的位移均由引伸计测量。试样断口附近的显微组织观察在TECNAI G2 20透射电子显微镜上进行。

3 结果与讨论

3.1 应变速率对力学性能的影响

表1和图1分别是试验钢经不同应变速率拉伸后获得的力学性能数据和工程应力-应变曲线。可以看出，随着应变速率增大，屈服强度明显升高，断后延伸率明显下降，抗拉强度和断面收缩率略有减小。

表1 试验钢的拉伸性能

图1 试验钢的工程应力-应变曲线

屈服强度的升高可以用位错理论进行解释：随着应变速率的提高，位错运动阻力增大；而对于高氮奥氏体钢这类低层错能金属，应变速率的提高更容易引发形变孪晶的形成，从而更快产生加工硬化，使屈服强度升高。而抗拉强度的降低无法用位错理论进行解释。由于在高的应变速率下，试验钢变形能力还未得到充分的发挥时就进入断裂阶段，且其加工硬化能力也降低，因而随着应变速率的提高，试验钢的延伸率和抗拉强度降低。

3.2 应变速率对塑性流变和加工硬化的影响

采用 D.C.Ludwigson［5］和 A.Soussan 等人［6］所用的“多步法”对试验钢的塑性流变和加工硬化曲线进行拟合。图2给出各应变速率下试样均匀塑性变形阶段的真应力-真应变双对数坐标曲线。可以看出，塑性流变曲线均向上凹，说明Ludwig方程不能完全描述试验钢的塑性流变行为，Ludwigson方程更适合描述其流变形为。每条曲线在低应变区和高应变区都可以用一条直线来进行光滑处理，而中应变区是一条弧线，无法用直线进行光滑；两直线在真应变ε=10%附近有一个瞬变点εL。这与Ludwigson的结果相似，而A.Soussan等人得到的曲线几乎完全可以用两条直线进行光滑处理。

图2 不同应变速率下的双对数真应力-真应变曲线

对图2的真应力-真应变高应变区进行直线回归拟合，即可得到K1和n1值。直线的拟合精度能保证达到0.999以上。在低应变区，真应力-真应变曲线符合Ludwigson方程。

图3给出lnΔ-ε关系曲线，对该曲线进行拟合就能得到k2和n2值。直线的拟合精度在0.999以上。

图3 不同应变速率下的lnΔ-ε曲线

瞬变应变εL定义为Δ与Ludwig表达式相比非常小时的应变量，它可由以下表达式求出：

r可以是一个任意小的正数，本研究取r=0.02。

与瞬变应变εL对应的瞬变应力为：

从参数k2还可定义一个比例极限强度YTS，YTS=exp（k2）。它表示拉伸过程中发生屈服时第一根位错启动所需的短程作用力。3个应变速率下拉伸试样的K1、n1、k2、n2、σL、εL和YTS值列于表2。

表2 不同应变速率下的流变方程参数

D.C.Ludwigson［5］认为，增大应变速率和升高变形温度对低层错能、具有面心立方结构材料的塑性流变方程参数的影响趋势一致。由表2可以看出，除了瞬变强度σL外，K1、n1、k2、n2、εL和YTS的值均随应变速率的升高而单调减小，这与D.C.Ludwigson的结果相吻合。K1、n1、n2的值减小表明，随着应变速率的升高，试验钢形变强化能力减弱，对应表1中Rm随应变速率的升高而减小。而YTS的减小表明，拉伸过程中启动第一根位错所需的短程作用力减小，亦即试验钢更容易屈服，这与表1中Rp0.2随应变速率的升高而增大的趋势相矛盾，这表明此时位错不是唯一对屈服强度有贡献的因素。n2表示塑性应变增加时短程作用力与长程作用力的比值减小的速率，-n2随应变速率的升高而增大，说明由位错亚结构等产生的长程作用力在更高的应变水平下起作用。D.C.Ludwigson［5］和A.Soussan等人［6］认为，εL的存在主要是由于位错的滑移模式发生了改变：ε＜εL时，位错滑移以单系滑移和平面滑移为主，而ε＞εL时，位错运动以多系滑移和交滑移为主，并形成位错胞。由此可以看出，高应变速率促进位错的多系滑移和交滑移，从而使试验钢的塑性流变行为在更低的应变水平符合Ludwik模型。

YTS随应变速率的增大而减小与表1中Rp0.2随应变速率的升高而增大的趋势相矛盾，这应该归结于位错和孪晶的相互作用：在高的应变速率下，试验钢很快就发生屈服，而低的YTS表明位错更容易被开动，但是由于高氮钢的低层错能特性，试验钢一旦屈服发生塑性变形，就会很容易形成大量形变孪晶，这些孪晶会成为位错运动的障碍。高的应变速率更容易诱发孪晶的形成，因而试验钢以1.33×10-1s-1的应变速率拉伸时，孪晶对位错运动的阻碍作用最强，该状态下的拉伸试样有最高的屈服强度；随着变形继续进行，新的孪晶不断被诱发形成，而位错也不断增殖、运动。由于在高的应变速率下，位错运动阻力大，降低了试验钢的加工硬化能力，因而在高的应变速率下试验钢的抗拉强度降低，而孪晶的生成弥补了位错运动受阻而导致的塑性下降。图4是试验钢经不同应变速率拉伸后断口附近的显微组织，丰富的形变孪晶清晰可见。

图4 试验钢经不同应变速率拉伸后断口附近的显微组织

4 结论

4.1 随应变速率的升高，试验钢的屈服强度Rp0.2升高而抗拉强度Rm降低，塑性略有降低。应变速率影响位错和孪晶的相互作用是试验钢力学性能发生变化的主要因素。

4.2 应变速率的升高降低试验钢的加工硬化能力，促进交滑移和多系滑移，减小瞬变应变，使试验钢的塑性流变行为在更低的应变水平可用Ludwik进行描述。

［1］ 刘树勋，刘宪民，刘蕤，等.0Cr21Ni6Mn9N奥氏体不锈钢的应变强化行为［J］.钢铁研究学报，2005，17（4）：40-44.

［2］ 李光强，董廷亮.高氮钢的基础研究及应用进展［J］.中国冶金，2007，17（7）：5-11.

［3］ Simmons J W.Overview:high-nitrogen alloying of stainless steels［J］.Material Science and Engineering，1996，A 207：159-169.

［4］ 刘树勋，刘宪民，王维明.不同变形量对0Cr21Ni6Mn9N不锈钢力学性能的影响［J］.钢铁，2005，40（11）：67-70.

［5］ Ludwigson D C.modified stress strain relation for FCC metals and alloys［J］.Metallurgical Transactions，1971，2（10）：2 825-2 828.

［6］ Soussan A，Degallaix S.work hardening behaviour of nitrogen alloyed austenitic stainless steels［J］.Material Science and Engineering，1991，A142：169-176.

Effect of Strain Rate on Plastic Flow Behaviors of High Nitrogen Austenitic Stainless Steel

JU Chuan-hua,LIU Xue-li,GUO Yu-xiang
（The Technology Supervision Department of Jinan Iron and Steel Group Corporation,Jinan 250101,China）

This article studied the effects of strain rates on the mechanical properties and plastic flow behaviors of high nitrogen austenitic stainless steel 18%Cr-18%Mn-0.63N in room temperature tension.The results showed that with the strain rate increased,the yield strength Rp0.2of the test steel increased but the tensile strength Rmand plasticity decreased slightly.Under every strain rate,the plastic flow behavior of the test steel was modeled by Ludwigson model all.The effect of the strain rate increase on the plastic flow function parameters was as follows:1）The strength coefficient K1,strain hardening exponent n1and n2decreased,which means the decrease of work hardening ability of test steel.2）The true yield strength decreased.3）Transient strain εLdecreased,indicates that the increase of strain rate promote multi slip and cross slip of dislocation.

high nitrogen austenitic stainless steel;strain rate;plastic flow;mechanical properties

TG115

A

1004-4620（2010）04-0041-03

2010-03-09

鞠传华，男，1982年生，2005年毕业于东北大学材料科学与工程/材料成型及控制工程专业，双学士。现为济钢技术监督处助理工程师，从事力学性能检验工作。