·1448. 工程科学学报，第37卷，第11期 能力-刀.因此，研究金属材料的动态再结晶行为，对 为0.1、0.3,0.5、0.7和0.9.首先将试样以10℃s的速 于产品的性能改善和变形工艺的优化设计都有着十分 率升温到1200℃，保温60s,然后以10℃·s的速率 重要的意义 降温到变形温度，保温10s后以相应的应变速率进行 随着有限元技术的发展，大型工件的热塑性变形 热压缩变形.图1为试验流程示意图 工艺可以采用有限元法快速而准确地进行设计和优 温度1 化.建立动态再结晶模型，是采用有限元法对热塑性 1200℃.60÷ 变形过程组织转变进行数值模拟的必不可少的条件. 因此，近年来国内外许多学者展开了动态再结晶模型 研究.例如：吴晋彬等圆建立了SCM435钢动态再结 10℃· 晶动力学模型并确定了模型的参数：冯玮和徐富家网 105 研究了20 CrMnTiH钢在热压缩变形过程中微观组织 演变并建立了动态再结晶模型：Saadatkia等深入研 I0℃· 究了普碳钢的热变形和动态再结晶行为：Rodriguez-- 水淬 Martinez等研究了Ti6A4V合金的动态再结晶 行为. 时间 由于优异的力学性能和耐腐蚀性能以及良好的焊 图1单道次热压缩试验流程图 接性能，316LN可用作API000第三代核电站的主管道 Fig.1 Schematic diagram of single pass hot deformation tests 材料.主管道采用整体锻造成形，其体积较大，形状复 杂.采用实验方法制定主管道锻造工艺的成本和能耗 结果分析 巨大，经济效益低.因此，数值模拟方法成为了制定和 2.1真应力一真应变曲线 优化主管道锻造工艺的主要方法.316LN钢在锻造过 图2为部分典型变形条件下的真应力一真应变曲 程中发生热塑性变形，不发生相变过程，其力学性能主 线.在图2中未标明初始晶粒度的图片描述均对应初 要通过控制动态再结晶过程进行优化.所以，深入细 始晶粒度为297m的试样.可以看出试样的真应力 致地研究316LN钢的动态再结晶过程是十分必要的. 随着温度的升高而降低，随着应变速率的升高而升高， 本文利用Gleeble-500D热模拟试验机对3l6LN 随着初始晶粒度的增大而升高.当变形温度为900℃， 钢进行单道次热压缩试验.基于试验数据，获得临界 应变速率为0.5s时，如图2(b)所示，真应力一真应 应力应变和峰值应力应变的表达式，建立动态再结晶 变曲线呈现典型的动态回复型曲线，随着变形温度的 动力学模型和晶粒尺寸演变模型.随后对建立的动态 升高或者应变速率的降低，真应力一真应变曲线呈现 再结晶模型进行修正，将修正后的模型嵌入DEFORM3D 典型的动态再结晶型曲线（如图2(a)和图2(b)所 有限元模拟软件中进行计算，发现模型的模拟值和试 验值符合较好，证明模型修正的准确性。 示).当变形温度高于1000℃时，真应变一真应变曲线 均呈现动态再结晶型曲线（如图2(c)和图2(d)所 1试验材料及方法 示).这是因为非连续动态再结晶是一个热激活过程， 试验用316LN奥氏体不锈钢的化学成分如表1所 当变形温度较高时材料储存的能量较高，动态再结晶 示.首先将钢锭加热至1100℃，保温1、5和10h后，钢 容易发生，当应变速率较小时材料有足够的时间完成 锭的初始晶粒度分别为122、206和297μm,随后将热 动态再结晶，所以当温度较高或者应变速率较低时真 处理过的钢锭机加工为8mm×l5mm的试样 应力一真应变曲线呈现动态再结晶型曲线2 2.2临界应力和应变 表1316LN奥氏体不锈钢的化学成分（质量分数） 在热变形过程中，只有当变形量超过某一临界值 Table 1 Chemical composition of 316LN austenitic stainless steel 时，金属材料才会发生动态再结晶，这一临界值称为动 C N Cr Ni Mo Si Mn Fe 态再结晶的临界应变()，对应的应力称为临界应力 0.0110.12217.1813.122.230.241.3余量 (σ).加工硬化率(0)是真应力（σ）对真应变（ε）的 导数.研究表明，临界应力和临界应变可以通过0一σ 利用Gleeble-450oD热模拟试验机对三种不同初 或ln-s曲线的拐点特征求取.以图3(a)为例， 始晶粒度的试样进行单道次热压缩试验.变形温度分 日-σ曲线可以划分为四个区域5-：加工硬化区、动 别为900、950、1000、1050、1100、1150和1200℃，应变 态回复区、动态再结晶区和动态再结晶Ⅱ区.加工 速率分别为0.001、0.01、0.1、0.5、1和10s,应变量分别 硬化区代表从热塑性变形开始到亚晶形成.随后，发工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 能力［1--7］． 因此，研究金属材料的动态再结晶行为，对 于产品的性能改善和变形工艺的优化设计都有着十分 重要的意义． 随着有限元技术的发展，大型工件的热塑性变形 工艺可以采用有限元法快速而准确地进行设计和优 化． 建立动态再结晶模型，是采用有限元法对热塑性 变形过程组织转变进行数值模拟的必不可少的条件． 因此，近年来国内外许多学者展开了动态再结晶模型 研究． 例如: 吴晋彬等［8］ 建立了 SCM435 钢动态再结 晶动力学模型并确定了模型的参数; 冯玮和徐富家［9］ 研究了 20CrMnTiH 钢在热压缩变形过程中微观组织 演变并建立了动态再结晶模型; Saadatkia 等［10］深入研 究了普碳钢的热变形和动态再结晶行为; Ｒodríguez￾Martínez 等［11］ 研 究 了 Ti6Al4V 合金的动态再结晶 行为． 由于优异的力学性能和耐腐蚀性能以及良好的焊 接性能，316LN 可用作 AP1000 第三代核电站的主管道 材料． 主管道采用整体锻造成形，其体积较大，形状复 杂． 采用实验方法制定主管道锻造工艺的成本和能耗 巨大，经济效益低． 因此，数值模拟方法成为了制定和 优化主管道锻造工艺的主要方法． 316LN 钢在锻造过 程中发生热塑性变形，不发生相变过程，其力学性能主 要通过控制动态再结晶过程进行优化． 所以，深入细 致地研究 316LN 钢的动态再结晶过程是十分必要的． 本文利用 Gleeble-1500D 热模拟试验机对 316LN 钢进行单道次热压缩试验． 基于试验数据，获得临界 应力应变和峰值应力应变的表达式，建立动态再结晶 动力学模型和晶粒尺寸演变模型． 随后对建立的动态 再结晶模型进行修正，将修正后的模型嵌入 DEFOＲM-3D 有限元模拟软件中进行计算，发现模型的模拟值和试 验值符合较好，证明模型修正的准确性． 1 试验材料及方法 试验用316LN 奥氏体不锈钢的化学成分如表 1 所 示． 首先将钢锭加热至1100 ℃，保温1、5 和10 h 后，钢 锭的初始晶粒度分别为 122、206 和 297 μm，随后将热 处理过的钢锭机加工为 8 mm × 15 mm 的试样． 表 1 316LN 奥氏体不锈钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 316LN austenitic stainless steel % C N Cr Ni Mo Si Mn Fe 0. 011 0. 122 17. 18 13. 12 2. 23 0. 24 1. 3 余量 利用 Gleeble-1500D 热模拟试验机对三种不同初 始晶粒度的试样进行单道次热压缩试验． 变形温度分 别为 900、950、1000、1050、1100、1150 和 1200 ℃，应变 速率分别为 0. 001、0. 01、0. 1、0. 5、1 和 10 s － 1，应变量分别 为0. 1、0. 3、0. 5、0. 7 和0. 9． 首先将试样以 10 ℃·s － 1的速 率升温到 1200 ℃，保温 60 s，然后以 10 ℃·s － 1的速率 降温到变形温度，保温 10 s 后以相应的应变速率进行 热压缩变形． 图 1 为试验流程示意图． 图 1 单道次热压缩试验流程图 Fig． 1 Schematic diagram of single pass hot deformation tests 2 结果分析 2. 1 真应力--真应变曲线 图 2 为部分典型变形条件下的真应力--真应变曲 线． 在图 2 中未标明初始晶粒度的图片描述均对应初 始晶粒度为 297 μm 的试样． 可以看出试样的真应力 随着温度的升高而降低，随着应变速率的升高而升高， 随着初始晶粒度的增大而升高． 当变形温度为900 ℃， 应变速率为 0. 5 s － 1时，如图 2( b) 所示，真应力--真应 变曲线呈现典型的动态回复型曲线，随着变形温度的 升高或者应变速率的降低，真应力--真应变曲线呈现 典型的动态再结晶型曲线( 如图 2 ( a) 和图 2 ( b) 所 示) ． 当变形温度高于 1000 ℃时，真应变--真应变曲线 均呈现动态再结晶型曲线( 如图 2 ( c) 和图 2 ( d) 所 示) ． 这是因为非连续动态再结晶是一个热激活过程， 当变形温度较高时材料储存的能量较高，动态再结晶 容易发生，当应变速率较小时材料有足够的时间完成 动态再结晶，所以当温度较高或者应变速率较低时真 应力--真应变曲线呈现动态再结晶型曲线［12--13］． 2. 2 临界应力和应变 在热变形过程中，只有当变形量超过某一临界值 时，金属材料才会发生动态再结晶，这一临界值称为动 态再结晶的临界应变( εc ) ，对应的应力称为临界应力 ( σc ) ． 加工硬化率( θ) 是真应力( σ) 对真应变( ε) 的 导数． 研究表明，临界应力和临界应变可以通过 θ － σ 或 ln － ε 曲线的拐点特征求取［14］． 以图 3 ( a) 为例， θ － σ曲线可以划分为四个区域［15--16］: 加工硬化区、动 态回复区、动态再结晶Ⅰ区和动态再结晶Ⅱ区． 加工 硬化区代表从热塑性变形开始到亚晶形成． 随后，发 · 8441 ·