316L不锈钢冷变形加工硬化机制及组织特征

[D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.010 第35卷第1期 北京科技大学学报 Vol.35 No.1 2013年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2013 316L不锈钢冷变形加工硬化机制及组织特征 宋仁伯，项建英)，侯东坡2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院.北京1000832)中铁物资集团中南有限公司，武汉430070 通信作者.E-mail:songrb@mater,ustb.cdh.cm 摘要通过对316L不锈钢的不同变形量的压缩试验，对其冷变形特性进行了研究.利用修正的L1dwk模型对流变 应力数据进行非线性拟合，获得了316L不锈钢的真应力-应变模型和加工硬化模型.试验结果表明：修正的Ludwik模 型能较好的反映316L不锈钢真应力与应变关系；根据流变应力的变化规律，316L不锈钢冷变形流变应力可分为三个阶 段，分别为真应变小于0.02的强加工硬化阶段，真应变在0.02与029之间的稳加工硬化阶段，以及真应变大于0.29的 弱加工硬化阶段.电子显微技术研究表明316L不锈钢三个不同的变形阶段，其加工硬化机制、微观组织特征有所不同 关键词不锈钢：冷加工；硬化：微观组织：硬度 分类号TG142.71 Microstructure characteristics and work-hardening mechanism of 316L austenitic stainless steel during cold deformation SONG Ren-bo1)=,XIANG Jian-ying )HOU Dong-po 2) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)China Railway Materials Group Central-south Co.Ltd,Wuhan 430070,China Corresponding author,E-mail:songrb@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT The cold deformation characteristics of 316L stainless steel were investigated by compression testing with different deformations.The true stress-strain model and work-hardening model were obtained by fitting the test data with a modified Ludwik model.It is found that the modified Ludwik model can formulate the relationship between stress and strain of the stainless steel.The fiow stress of the stainless steel during cold deformation is divided into three stages:the high work-hardening stage,the stable work-hardening stage,and the low work-hardening stage corresponding to the deformation less than 0.02,between 0.02 and 0.29,and greater than 0.29,respectively.Electron microscopy results indicate that the work-hardening mechanism and microstructure characteristics of the stainless steel are different in the three stages KEY WORDS stainless steel;cold working:hardening;microstructure:hardness 316L不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)是经典的18-8粒尺寸、变形速率、变形程度等因素都会影响到 (CrN)不锈钢成分改型合金，是为改善耐腐蚀性能真应力-应变曲线的数值及形状特征.目前很多研 而发展的一种Cr-Ni-Mo型超低碳奥氏体不锈钢！. 究人员对316L不锈钢的冷变形行为展开了研究工 由于其优良的耐海水腐蚀、耐晶间腐蚀性能和高温 作4-1，这些文献对316L不锈钢的冷变形过程中的 力学性能，被广泛用于管道、换热器、高温螺栓的制变形机制、微观组织和力学性能有一定的报道，如 造和医用材料，是目前应用较为广泛的奥氏体不锈 Soussan等4l对316L不锈钢在变形中的单滑移和 钢☒.316L不锈钢具有很高的加工硬化指数，因此晶面滑移以及多滑移的出现作了研究，Ludwigson 冷变形是提高其强度的重要方法③). 等阐述了间隙元素C和N对应变诱发马氏体 金属的真应力-应变曲线能很好地反映金属塑 相变的影响，刘伟等6研究了应变速率对奥氏体 性变形过程中的各项特性。金属的点阵类型、晶 不锈钢应变诱发马氏体转变和力学行为的影响.但 收稿日期：2011-11-11

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 不锈钢冷变形加工硬化机制及组织特征 宋仁伯 '二一, 项建英 , 侯东坡 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 叱 中铁物资集团中南有限公司, 武汉 匕 通信作者, 一 , , 摘 要 通过对 不锈钢的不同变形量的压缩试验, 对其冷变形特性进行 了研究 利用修正的 模型对流变 应 力数 据进 行非 线性 拟合 , 获 得 了 不锈 钢 的真应 力一应 变模 型和加 工硬化模 型 试验 结果 表 明 修 正 的 模 型能较 好的反 映 不锈 钢真应力 与应变关 系 根据 流变应力 的变化 规律 , 不锈钢 冷变 形流变 应力可 分为 三个阶 段, 分别为真应变小于 的强加工硬化阶段, 真应变在 与 之间的稳加工硬化阶段, 以及真应变大于 的 弱加工硬化阶段 电子显微技术研究表明 不锈钢三个不同的变形阶段 , 其加工硬化机制 、 微观组织特征有所不同 关键词 不锈钢 冷加工 硬化 微观组织 硬度 分类号 一 万 ` 五。卜乙 曰 , 曰丫介 万 五 卜夕 ”夕 , 万 刀 夕一刀 、 ,一 , , , , 、 , 一 一, , , , 口 , , 回 一 沧 ￡ 、 , 瓜 , 一 一 一 一 〔 , 、 〔· 、 一 , 一 , 一 , 刀 一。 〔 , , 一 傲 一 、 价 〔 , , 不锈钢 是经典 的 一 一 不锈钢成分改型合金 , 是为改善耐腐蚀性能 而发展的一种 一 一 型超低碳奥 氏体不锈钢 ` 由于其优 良的耐海水腐蚀 、耐晶间腐蚀性能和高温 力学性能, 被广泛用于管道 、换热器 、高温螺栓的制 造和 医用材料 , 是 目前应用较为广泛的奥氏体不锈 钢 不锈钢具有很高的加工硬化指数, 因此 冷变形是提高其强度的重要方法 金属 的真应力一应变 曲线 能很好地反映金属塑 性变形过程 中的各项特性 金属的点阵类型 、 晶 收稿 日期 一 一 粒尺寸 、 变形速率 、 变形程度等因素都会影响到 真应力一应变 曲线的数值及形状特征 目前很 多研 究人员对 不锈钢的冷变形行为展开 了研究工 作阵一“ , 这些文献对 不锈钢的冷变形过程 中的 变形机制 、微观组织和力学性能有一定的报道 , 如 等 对 不锈钢在变形中的单滑移和 晶面滑移 以及 多滑移的出现作 了研究, 、 等 阐述 了间隙元素 和 对应变诱发马氏体 相变的影响, 刘伟等 网 研究了应变速率对奥氏体 不锈钢应变诱发马 氏体转变和力学行为的影响 但 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.01.010

·56· 北京科技大学学报 第35卷 是，这些研究没有结合真应力-应变曲线和加工硬化 线呈现上挠趋势，说明此曲线不能用简单的Ludwik 曲线的特点及不同变形过程中的组织特征系统地提 幂指数函数模型来描述316L不锈钢的真应力与应 出冷变形过程中加工硬化的机制.本文通过不同变 变的关系，需要对Ludwik函数进行适当的修正8例 形量的室温压缩试验，利用修正后的Ludwik模型 修正后的函数如下式所示： 描述了316L冷变形的真应力-应变曲线和加工硬化 a=Kemi+nalne (1) 曲线，结合不同变形量的冷变形过程中的微观组织 与马氏体相变，讨论了不同冷变形阶段的加工硬化 式中，o表示真应力，e表示真应变，K、n1和2 机制和组织特点 为常数. 1200 1实验材料与方法 1000 实验材料取自商用316L不锈钢热轧中厚板，厚 20% 度为20mm,通过线切割将材料加工成尺寸为12 800 40% 30% mm×12mm×18mm的试样，并进行了适当的热处 600 10% 理.材料的化学成分（质量分数，%）为：C0.016, B 400 Si0.510,Mn1.110,P0.022,S0.001,i10.110,Cr 200 16.320,Cu0.030,Mo2.060,N0.032,Fe余量. 试样在室温下用徽机电子万能试验机(Sans 0.00.10.20.30.40.50.6 CMT4305)进行压缩变形，工程应变量e分别为 真应变 10%、20%、30%和40%，变形速度为0.5mm-min-1, 图1316L不锈钢不同变形量下的真应力-应变曲线 并实时记录载荷位移曲线，由此计算得到真应力- Fig.1 True stress-strain curves of 316L stainless steel under 应变曲线.冷变形后的样品沿压力轴向剖成两半后， different deformations 采用TH320洛氏硬度计对剖面进行硬度测试，采用 X射线衍射技术(Rigaku D/Max2500)分析试样的 相结构，采用(PeCg+HCl+H2O)溶液对试样进行 腐蚀，并利用Leica DMR光学显微镜(OM、 Cambridge-S:250扫描电镜(SEM)和JEM-2010透 射电镜(TEM)观察试样的显微组织. 2实验结果与分析 20% 2.1真应力-应变曲线及加工硬化曲线 10% 30% 图1为316L不锈钢在不同变形量下的真应力- 40% 应变曲线.由图可以看出不同变形量的曲线都重叠 -16-14-12-10-8-6-4-20 在一起，即变形量为10%、20%和30%时的真应力- Ine 应变曲线均可以看成是变形量为40%真应力-应变 图2316L不锈钢不同变形量下的双对数曲线 曲线的一部分、在室温压缩变形下，流变应力随变 Fig.2 Double logarithmic curves of 316L stainless steel un- 形量的增加而增大.根据流变应力的变化情况，通 der different deformations 过直线相交法可以把图中曲线分为三部分(A,B, 利用1stOpt非线性拟合软件中的Levenberg C):当真应变小于0.02时（曲线A部分），流变应力 Marquardt加通用全局优化法按式(1)对316L不 几乎成线性迅速增加：当真应变在0.02与0.29之 锈钢的真应力和应变数据进行拟合，得到三个参数 间时（曲线B部分），流变应力增加有所减慢，但流 分别是K=1585.548,n1=0.582,n2=0.009,这样得 变应力与真应变仍保持良好的线性关系：当真应变 到316L不锈钢的真应力-应变曲线关系式为 大于029时（曲线C部分），流变应力增加的趋势 减缓，线性度下降 0=1585.548e0.582+0.0091ne (2) 对真应力和真应变进行自然对数计算，可求出 图3是316L不锈钢变形量为40%时实测的真 对应的真应力-应变双对数曲线，如图2所示，其曲 应力-应变曲线和通过式(2)拟合的曲线.由图可以

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 是, 这些研究没有结合真应力一应变曲线和加工硬化 曲线的特点及不同变形过程中的组织特征系统地提 出冷变形 过程 中加工硬化的机制 本文通过不 同变 形量 的室温压缩试验 , 利用修正后的 模型 描述 了 冷变形的真应力一应变 曲线和加工硬化 曲线 , 结合不同变形量的冷变形过程 中的微观组织 与马 氏体相变 , 讨论了不同冷变形阶段的加工硬化 机制和组织特点 线呈现上挠趋势, 说明此曲线不能用简单的 幂指数 函数模型来描述 不锈钢的真应 力与应 变 的关系 , 需要对 议 函数进 行适 当的修正 修正后的函数如下式所示 。”` “, ` 式 中, 。表示真应力, ￡表示真应变, 、 , 和 御 为常数 溯硼 侧赋只肩﹄` 实验材料与方法 实验材料取 自商用 不锈钢热轧中厚板 , 厚 度为 幻以, 通过线切割将材料加工成尺寸为 又 义 的试 样, 并进行了适 当的热处 理闭 材料的化学成分 质量分数, 为 , , , , , , , , , , , 及 余量 试样在室温下用微机电子万能试验机 进行压缩变形, 工程应变量 己分别为 、 、 和 , 变形速度为 · 一, 并实时记录载荷一位移曲线, 由此计算得到真应力 应变曲线 冷变形后的样品沿压力轴向剖成两半后, 采用 洛氏硬度计对剖面进行硬度测试 , 采用 射线衍射技术 , 分析试样 的 相结构 , 采用 十 十 溶液对试样进行 腐蚀 , 并利用 光学显微镜 、 扫描 电镜 和 林 透 射电镜 观察试样 的显微组织 实验结果与分析 真应力一应变曲线及加工硬化曲线 图 为 不锈钢在不同变形量下的真应力 应变 曲线 由图可 以看 出不 同变形量的 曲线都重叠 在一起 , 即变形量为 、 和 时的真应力 应变 曲线均可 以看成是变形量 为 真应力一应变 曲线的一部分 在室温压缩变形下, 流变应 力随变 形量的增加而增大 根据流变应力的变化情况 , 通 过直线相交法可以把图中曲线分为三部分 , , 当真应变小于 时 曲线 部分 , 流变应力 几乎成线性迅速增加 当真应变在 与 之 间时 曲线 部分 , 流变应力增加有所减慢 , 但流 变应力与真应变仍保持 良好的线性关系 当真应变 大于 时 曲线 部分 , 流变应力增加 的趋势 减缓 , 线性度下降 对真应力和真应变进行 自然对数计算 , 可求 出 对应 的真应力一应变双对数曲线 , 如图 所示 , 其 曲 一 产…侧勺 图 址 真应变 不锈钢不同变形量下的真应力一应变曲线 江丫 一 台 一 一 层︶月︵﹄目匕 一 一 一 一 一 一 一 一 已 图 不锈钢不同变形量下的双对数曲线 利用 非线性 拟合软 件中的 加通用全局优化法按式 对 不 锈钢的真应力和应变数据进行拟合, 得到三个参数 分别是 , , 。 , 这样得 到 不锈钢的真应力一应变 曲线关系式为 口 · · 图 是 不锈钢变形量 为 时实测的真 应力一应变 曲线和通过式 拟合的曲线 由图可以

第1期 宋仁伯等：316L不锈钢冷变形加工硬化机制及组织特征 ·57· 看到，由模型计算得到的值与实测值有较高的拟合 2.2316L不锈钢不同变形量下的微观组织形貌 程度，相关系数为0.97，说明修正过的Ludwik模 316L不锈钢不同变形量下的显微组织形貌如 型能够较准确的表达316L不锈钢的真应力与应变 图5所示.由图5(a)可知，未变形的316L不锈钢 的关系 奥氏体晶粒中没有出现变形带，晶粒内有部分孪晶 1200 B 出现，这是由热轧后退火留下来的.从图5(b)~(e) A-实测真应力应变曲线 1000 B-非线性拟合曲线 中明显看出随着形变量的增加，晶粒的变形程度、 800 组织缺陷也逐渐增加，晶粒沿变形方向逐渐拉长， 变形带逐渐增多变密，奥氏体晶粒及晶内的孪晶也 600 开始变形，晶粒尺寸逐渐减小.变形量为20%时，产 400 生了大量的孪晶，并且其平均晶粒尺寸较未变形和 200 变形量为10%的晶粒减小了很多，当变形量增加到 0.0 0.10.20.30.40.5 30%和40%时，可以观察到有大量的剪切带出现，这 直应变 是形变诱导马氏体相变发生的位置9，同时变形量 图3316L不锈钢变形量为40%时的实测真应力-应变曲线 与非线性拟合曲线 越大，剪切带的密度就越大 Fig.3 Measured true stress-strain curve and non-linear fit- 1200 5000 A-模型计算加工硬化曲线 ting curve of 316L stainless steel under the 40%deformation 1000 B-实测加工硬化曲线 4000 加工硬化率日表征流变应力随应变变化的速 C-真应力应变曲线 800 率.对给定材料，在一定结构状态和形变条件下的 3000 加工硬化率可由描述加工硬化曲线的数学模型得 600 到.对式(1)两边对e求导得 2000 400. A =K(ni+2ngIne)em-l+n2 mne. (3) 200 1000 -B 带入上问求出的K、n1和n2即得 0.0 0.1 0.20.30.40.50.6 0 真应变 de =1585.545(0.582+0.0181ne)e0.0091e-0.418 图4316L不锈钢真应力-应变曲线与加工硬化曲线 (4) 其加工硬化曲线如图4所示 Fig.4 True stress-strain curve and work-hardening curves of 316L stainless steel 100m5 100m 100m ,100m ,100um, 图5室温下316L不锈钢在不同变形量下的光学显微组织像.(a)0:(b)10%:(c)20%:(d)30%:(c)40% Fig.5 OM images of 316L stainless steel under different deformations at room temperature:(a)0:(b)10%:(c)20%:(d)30%: (c)40%

第 期 宋仁伯等 不锈钢冷变形加工硬化机制及组织特征 看到, 由模型计算得到的值与实测值有较高的拟合 程度 , 相关系数为 , 说 明修正过的 模 型能够较准确的表达 不锈钢 的真应力与应变 的关系 户 不锈钢不同变形量下 的微观组织形貌 不锈钢不同变形量下的显微组织形貌如 图 所示 由图 可知 , 未变形的 不锈钢 奥 氏体晶粒中没有 出现变形带, 晶粒内有部分孪 晶 出现, 这是由热轧后退火留下来的 从图 别 中明显看 出随着形变量的增加, 晶粒 的变形程度 、 组织缺陷也逐渐增加, 晶粒沿变形方 向逐渐拉长 , 变形带逐渐增多变密, 奥氏体晶粒及晶内的孪晶也 开始变形, 晶粒尺寸逐渐减小 变形量为 时, 产 生 了大量的孪晶, 并且其平均晶粒尺寸较未变形和 变形量为 的晶粒减小了很多 当变形量增加到 和 时, 可 以观察到有大量的剪切带出现 , 这 是形变诱导马氏体相变发生的位置 , 同时变形量 越大, 剪切带的密度就越大 共斌拐己 真应变 图 不锈钢变形量为 时的实测真应力 应变曲线 与非线性拟合曲线 入 一 一 、一 加 工硬化率 表征流变应力随应变变化 的速 率 对给定材料 , 在一定结构状态和形变条件下的 加 工硬化率可 由描述加 工硬化 曲线的数学模 型得 到 对式 两边对 `求导得 毕 “`一` “, ” ` 乙 带入上 问求出的 、 和 , 即得 〔 〔 〕 一模型计算加工硬化 丰匀线 举鉴几 么 二二 山 〕,`言习 测 斌只侧一乙记 〔口 夕 — · · ”, ￡一。·` 其加工硬化 曲线如图 所示 图 不锈钢真应力一应变曲线与加工硬化曲线 升 一 工 一 图 室温 卜 不锈钢在不同变形量下的光学显微组织像 。 。 `, 今

.58 北京科技大学学报 第35卷 2.3316L不锈钢加工硬化机制及特点 左右时，由图5(d)和(e)可知，孪晶界面出现了大 金属材料在变形过程中产生加工硬化的主要 量的剪切带，Ferreira等o认为这种剪切带的形成 机制有位错强化、晶界强化、第二相粒子强化、相 是形变诱导马氏体相变的必要前骤，并且这些剪切 变强化以及形变李晶强化等.由于不同变形量 带的交叉处即是α'马氏体形核的位置.图9是变形 的微观组织都出现了变形带和孪晶，本文以变形量 量为30%和40%试样的X射线衍射图谱.由两图可 为40%的试样进行深入研究其加工硬化机制及特 以看到，在这两个变形量下，部分奥氏体组织确实 点.从图4可以看到，316L不锈钢在连续压缩形 发生了a'马氏体相变.图10是透射电镜下观察到 变中，真应力一直随着变形量的增大而增大，而加的马氏体.由图可知，在弱加工硬化阶段，虽然加工 工硬化率6逐渐减小，如图4中的C曲线所示. 硬化率有所降低，但其流变应力依旧是增加的，这 根据加工硬化率以及流动应力的变化规律，可以 主要是由于形变诱导马氏体相变增强了加工硬化， 把316L不锈钢的加工硬化曲线分为三个阶段，这 三个阶段大致对应流变应力的三个部分（如2.1所 述)，分别是强加工硬化阶段、稳加工硬化阶段和弱 加工硬化阶段.在强加工硬化阶段，由于刚开始变 形，真应变较小，加工硬化率日数值非常大，但随 着变形的继续，加工硬化率开始逐渐下降，但其值 都在2800MPa以上，在整个阶段，其加工硬化的 主要机制为位错.图6为10%变形量试样在透射电 镜下观察到的位错.由图可以看出，变形开始时，位 50 nm 错开始滑移，而晶体中存在的固溶原子等大量缺陷 阻碍了位错运动，即发生位错的钉扎、位错缠结以 图6316L不锈钢变形10%后试样中位错的透射电镜像 及位错和其他缺陷发生交互作用.随着变形量的增 Fig.6 TEM image of dislocations in 316L stainless stccl un 大，位错大量增殖，阻碍作用越来越强，因此加工 der the 10%deformation 硬化积累越来越多，表现在真应力-应变曲线上即 为真应力增加非常快，但其加工硬化率0是逐渐下 降的.当位错的滑移运动阻力急剧增加时，孪生变 11i)N (220M 形开始启动1-12).316L不锈钢的层错能较低，约 (000 为64MJm-2,其孪晶面是最密排面{111}面，若 (111)Mn 111) 在一定体积内每层{111}面对于邻层原子面切变一 220 个1习位移矢量，则此部分体积在方位上即与基 100n画 体互成孪晶关系.当孪生变形发生后，改变了晶体 图7316L不锈钢变形20%后试样中孪晶的透射电镜像(a)、 电子衍射花样及其标定(b) 位向，使位向有利的滑移系得以进行，由于孪晶强 Fig.7 TEM image (a),clectron diffraction pattern and its 化的持续性以及范围较大，因此在图5不同的变形 calibration (b)of twins in 316L stainless stcel nnder the 20% 量试样中都看到了大量的滑移带和剪切带的生成 deformation Remy3l认为，堆积在孪晶界上的滑移位错或孪生 (b) 位错一般通过能量上不适宜的位错反应合并成障碍 孪生，引起强化效应，此外形变孪晶间还产生位错 亚结构和位错胞状组织，也产生强化作用，使流变 应力增加.图7和8所示分别为316L不锈钢在变形 量为20%试样中孪晶和层错的透射电镜像.由两图 可知，在稳加工硬化阶段，316L不锈钢的流变应力 100 nm 持续增加的原因主要是由形变孪晶、层错、晶界及 图8316L不锈钢变形20%后试样中层错的透射电镜像(a)、 孪晶界附近位错塞积以及位错胞等引起的，这些机 电子衍射花样及标定() Fig.8 TEM image (a).electron diffraction pattern and its 制引起的加工硬化的增量均与应变有关，随着应变 calibration (b)of stacking faults in 316L,stainless steel under 的增加而增大.当变形量进一步增加到真应变0.27 the 20%deformation

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 不锈钢加工硬化机制及特点 金属材 料在变形过程 中产 生加 工硬化 的主要 机制有位错强化 、 晶界强化 、第二相粒子强化 、相 变强化 以及形变孪晶强化等 脚 由于不 同变形量 的微观组织都出现 了变形带和孪晶, 本文以变形量 为 努的试样进行深入研究其加工硬化机 制及特 点 从 图 可以看 到, 不锈钢在连续压缩形 变 中, 真应力一直随着变形量的增大而增大, 而加 工硬化率 口逐渐 减小, 如图 中的 曲线所示 根据加工硬化率 以及流动应力的变化规律 , 可 以 把 不锈钢 的加工硬化 曲线分为三个阶段 , 这 三个 阶段大致对应流变应力的三个部分 如 所 述 , 分别是强加工硬化阶段 、稳加工硬化阶段和弱 加工硬化阶段 在强加工硬化阶段, 由于刚开始变 形 , 真应变较小, 加工硬化率 乡数值非常大 , 但随 着变形的继续, 加工硬化率开始逐渐下降, 但其值 都在 以上 , 在整个阶段, 其加工硬化 的 主要机制为位错 图 为 变形量试样在透射 电 镜下观察到的位错 由图可 以看出, 变形开始时 , 位 错开始滑移 , 而晶体 中存在的固溶原子等大量缺陷 阻碍 了位错运动 , 即发生位错的钉扎 、位错缠结 以 及位错和其他缺陷发生交互作用 随着变形量的增 大 , 位错大量增殖 , 阻碍 作用越来越强, 因此加工 硬化积累越来越 多, 表现在真应力一应变 曲线上 即 为真应力增加非常快 , 但其加工硬化率 是逐渐下 降的 当位错的滑移运动 阻力急剧增加时, 孪生变 形开始启动 “一`“ 不锈钢 的层错能较低 , 约 为 人 ·, 一“, 其孪 晶面是最密排面 面, 若 在一定体积 内每层 面对 于邻层原子面切变 一 个体互成 “ 孪 “位晶关移矢系量、当 , 孪贝生 “此变部形分发体积生后在方, 改位变 上 了 “口与晶体基 位向, 使位 向有利的滑移系得以进行 , 由于孪晶强 化 的持续性 以及范围较大, 因此在图 不同的变形 量试样中都看到了大量 的滑移带和剪切带的生成 户 阵“ 认为 , 堆积在孪 晶界上的滑移位错或孪生 位错一般通过能量上不适宜的位错反应合并成障碍 孪生, 引起 强化效应 , 此外形变孪晶间还产生位错 亚结构和位错胞状组织, 也产生强化作用 , 使流变 应力增加 图 和 所示分别为 不锈钢在变形 量为 试样 中孪晶和层错的透射电镜像 由两图 可知, 在稳加工硬化阶段 , 不锈钢的流变应力 持续增加的原因主要是由形变孪晶 、层错 、晶界及 孪晶界附近位错塞积 以及位错胞等 引起的, 这些机 制引起 的加工硬化的增量均与应变有关, 随着应变 的增加而增大 当变形量进一步增加到真应变 左右时, 由图 和 可知, 孪 晶界而 出现 了大 量的剪切带, 等网 认为这种剪切带的形成 是形变诱导马氏体相变的必要前骤 , 并且这些剪切 带的交叉处即是 澎 马氏体形核的位置 图 `是变形 量为 男和 试样的 射线衍射图谱 由两图可 以看到 , 在这两个变形量下 , 部分奥 氏体组织确实 发生 了 口 马氏体相变 图 是透射 电镜下观察到 的马氏体 由图可知, 在弱加工硬化阶段 , 虽然加工 硬化率有所降低, 但其流变应力依 旧是增加 的, 这 主要是由于形变诱导马氏体相变增 强了加工硬化 图 · 不锈钢变形 侃后试样中位错的透射电镜像 一一扎 ,一、 一 弓 二 、 一 `·、、 、戈、 一一 〔 。卫 况 , 图 不锈钢变形 后试样中孪晶的透射电镜像 、 电子衍射花样及其标定 人丁 , 。 , 〔、 , 、〔沈川 〕、 。, 、, 」、 〕 , 弓〔 、 奋 , 、、 。·· , , 。、 〕沉 ` 夕,姗气、 了沪司,、叻 巍 图 不锈 凳 钢变形 后试样中层错的透射电镜像 、 电子衍射花样及标定 · 入 。 、、 〔 。 、 介 、〔沈。。, 、二 , 〔 凭 、, 、 弓 二 , , 、·、、 、 、、。、 ,川 、、,· 〔 , `

第1期 宋仁伯等：316L不锈钢冷变形加工硬化机制及组织特征 59 120 30 一■一硬度 110 (111 一▲一硬度增量 26 (110), 100 20 黑 (200)- 40% 15 (200).(220(211) 90 80 10 70 15 30% A 1020 30 40 5060 70 81 10 20 30 0 20/() 形变量/% 图11316L不锈倒在不同变形量下的硬度值及其增量 图9316L不锈钢变形30%和40%后试样的X射线衍射图谱 Fig.11 Hardness and hardness increment of 316L stainless Fig.9 XRD patterns of 316L stainless steel under the 30% steel under different deformations and 40%deformations 3结论 (1)根据加工硬化率的变化规律，316L不锈钢 冷变形流变应力可分为三个阶段，分别为真应变小 于0.02的强加工硬化阶段，真应变在0.02与0.29 之间的稳加工硬化阶段，以及真应变大于0.29之后 100nm 的弱加工硬化阶段.由于加工硬化在整个变形过程 (C(002 中一直在积累，因此流变应力一直在增大 8 (2)根据修正后的Ludwik模型对316L不锈钢 的真应力-应变曲线进行拟合，可以得到能够较好 (111)2 101), (011)T >k00) 表达316L不锈钢真应力与应变关系的数值模型， 1 即g=1585.548e0.582+0.0091ne.该模型拟合度较高， 相关系数达到0.97. (i) ●fce ymatrix (3)316L不锈钢在强加工硬化阶段，是以位错 bee o' 强化机制为主：当进入稳加工硬化阶段，有孪晶强 图10316L不锈钢变形40%后试样中马氏体的透射电镜像 (a),电子衍射花样(b)及标定(c) 化、层错强化和位错强化等综合强化机制：在弱加 Fig.10 TEM image(a),electron diffraction pattern(b)and 工硬化阶段，晶粒内产生大量的剪切带，并有形变 its calibration (c)of martensite in 316L stainless steel under 诱导马氏体相变发生，进一步提高了316L不锈钢 the 40%deformation 的流变应力 进一步提高了316L不锈钢的流变应力.因此316L 不锈钢在整个形变过程中都呈现出明显的加工硬 参考文献 化，并且加工硬化率较高.对不同变形量的试样进 行洛氏硬度测量，每个试样测量次数为五次，最后 [1]Erickson A R,Wiech R E.Metals Handbook.ASM Fed- 取平均值.图11为测得的不同变形量下材料的硬度 eration,1994:7 及相应的硬度增量.由图可以看到，随着变形量的 [2]Ding B F,Wu Y,Cao B,et al.Martensite transformation 增加，其硬度是逐渐增加的，并且硬度在不同变形 induced by deformation and its phase electrochemical be- 量之间的增量是不断下降的，与加工硬化曲线三个 havior for stainless steels AISI 304 and 316L.J Univ Sci Technol Beijing,2002,9(6):437 阶段的加工硬化率的变化趋势一致.这也从另一方 [3]Wang S T,Yang K,Shan YY,et al.Study of cold de- 面说明了316L不锈钢在整个变形过程中加工硬化 formation behaviors of a high nitrogen austenitic stainless 现象非常显著，但是，在不同的变形阶段，其加工硬 steel and 316 L stainless steel.Acta Metall Sin.2007. 化的机制和特点是不同的，在不同阶段流变应力的 43(2):171 增加也是不同的 (王松涛，杨柯，单以银，等.高氮奥氏体不锈钢与316L不

第 期 宋仁伯等 不锈钢冷变形加工硬化机制及组织特征 一 一硬度 一`一石吏度增 准 臀娜望好 几 〔 耸工 工 巴 工 工 … 髻,`,` 恻常晕黝 一 `马… 玉〔 马 吕兀 口 “ 图 不锈钢变形 和 后试样的 射线衍射图谱 乃 、 。、 、 〔、 一 、 , 、 川 , 二 占 习匕 二 形变从 叹 图 工不锈钢在不 司变形量下的硬度值及其增 精 一 一 拢, 一 ℃一盆`· 二 〔、 一 毛 压 、 一 乍 少 、 飞 斌 结论 根据加工硬化率的变化规律 , 不锈钢 冷变形流变应力可分为三个阶段, 分别为真应变小 于 的强加工硬化阶段, 真应变在 与 之间的稳加工硬化阶段 , 以及真应变大于 之后 的弱加工硬化阶段 由于加工硬化在整个变形过程 中一直在积累, 因此流变应 力一直在增大 根据修正后 的 模型对 不锈钢 的真应力 应变 曲线进行拟合, 可以得到能够较好 表达 不锈钢真应力与应变关系的数值模型 , 即 二 。眨 川 , `, 该模型拟合度较 高, 相关系数达到 不锈钢在强加工硬化阶段, 是 以位错 强化机制为主 当进入稳加工硬化阶段, 有孪晶强 化 、层错强化和位错强化等综合强化机制 在弱加 工硬化阶段 , 晶粒 内产 生大量 的剪切带, 并有形变 诱导马氏体相变发生, 进一步提高了 二不锈钢 的流变应力 月 广 带卫产 暇卜 门勺泊 钻 工犷飞 几 一奋 〕 、, 图 二不锈钢变形 后试样中马氏体的透射 电镜像 、 电 了衍 射花 样 及标 定 动 , 。 行 川 〕、 〔、,, 。 、、 〔 〔川 〔, 。, 、、 , , 飞 、 、 〔〔、, 〔 进一步提高了 不锈钢的流变应力 因此 不锈钢 在整个形变过程中都呈现 出明显的加工硬 化 , 并且加工硬化率较高 对不同变形量的试样进 行洛 氏硬度测量, 每个试样测量次数为五次, 最后 取平均值 图 为测得的不同变形量下材料的硬度 及相应的硬度增量 由图可以看到 , 随着变形量的 增加 , 其硬度是逐渐增加的, 并且硬度在不同变形 量之间的增量是不断下降的, 与加工硬化 曲线三个 阶段的加工硬化率的变化趋势 一致 这也从另一方 面说明了 不锈钢在整个变形过程中加工硬化 现象非常显著 但是, 在不 同的变形阶段, 其加工硬 化的机制和特点是不同的, 在不同阶段流变应力的 增加也是不 同的 参 考 文 献 【 、 , 飞 飞 刀` 了,“ 入 价 奋 , , , , ,, 、 。、 、 、 , , 一 、 一韶 义 一〔〕 是 、 左 , 之厂了未刃 孙 , ` 刀甘`, `夕 」做 、 , , 、、 , , 、 吸 ` 一」 丁 一 卜一 一 一 〔、一 一 了一 石、 、 〔、】 咭 浓丈 了六 〔 工松涛 杨柯, 单以银, 等二高氮奥氏体不锈钢 ` 川 不

60 北京科技大学学报 第35卷 锈钢的冷变形行为研究.金属学报，2007,43(2)：171) [8]Tian X,Zhang Y S.Mathematical description for Aow (4]Soussan A,Degallaix S,Magnin,T.Work-hardening curves of some stable austenitic steels.Mater Sci Eng A, behavior of nitrogen-alloyed austenitic stainless steels. 1994,174(1):L1 Mater Sci Eng A,1991,142(2):169 [9]Ferreira P J.Muillner P.A thermodynainic model for the 5]Ludwigson D C,Berger J A.Plastic behavior of stacking fault energy.Acta Mater.1998.46(13):4479 metastable austenitic stainless steels.J fron Steel Inst, [10]Song R B,Xiang J Y,Hou D P,et al.Behavior and mech- 1969,207(1):63 anism of hot work-hardening for 316L stainless steel.Acta [6]Liu W,Li Z B,Wang X,et al.Effect of strain rate on Metall Sin.2010,46(1):57 strain induced a'-martensite transformation and mechani- (宋仁伯，项建英.侯东坡，等.316L不锈钢热加工硬化行 cal response of austenitic stainless steels.Acta Metall Sin, 为及机制.金属学报，2010,46(1)：57) 2009,45(3):285 [11]Hertzberg R W.Deformation and Fracture:Mechanics of (刘伟，李志斌，王翔，等.应变速率对奥氏体不锈钢应变 Engineering Materials.4th Ed.New york:Wiley,1983 诱发a'、马氏体转变和力学行为的影响.金属学报，2009， [12 El-Danaf E,Kalidindi S R.Doherty R D.Influence of grain 45(3):285) size and stacking-fault energy on deformation twinning in [7]Hou D P,Song R B,Xiang J Y,et al.Effect of solution fcc metals.Metall Mater Trans A.1999,30(5):1223 treatment on microstructure and properties of 316L stain- [13]Remy L.The interaction between slip and twinning sys less steel.Trans Mater Heat Treat,2010,31(12):61 tems and the influence of twinning on the mechanical be- (侯东坡，宋仁伯，项建英，等.固溶处理对316L不锈钢组 havior of fcc metals and alloys.Metall Trans A,1981, 织和性能的影响.热处理学报，2010,31(12)：61) 12(3):387

技 大 学 学 报 第 卷 北 京 科 技 大 学 学 报 弟 各。 吞 锈钢的冷变形行为研究 金属学报, , 【〕 , , 认 一 , 一 。 夕 , , 」 , 一 ℃几 亡 , , , , , · , 一 , , , 刘伟, 李志斌, 王翔, 等 应变速率对奥氏体不锈钢应变 诱发 。,一马氏体转变和力学行为的影响 金属学报, , 【 。 , , · 了 乃℃ , , 侯东坡, 宋仁伯, 项建英, 等 固溶处理对 不锈钢组 织和性能的影响 热处理学报, , , `〕, ` 艺 、 , , `夕 , , ,, 、 , 。了,, , 【 」 、 、 , , · ,,飞 一 一 。· 从。, , 宋仁伯, 项建英 侯东坡, 等 不锈钢热加工硬化行 为及机制 金属学报, 响 叩 ` 二 ` 丹二。`￡, 、· “` “ 百刀夕乞 代 夕 汽 , , 【 」 一 , , 一 一 一 一 乃刀, ` , 」 ` , , 〔 , 一 , 叮 盯 乃 儿