论文部分内容阅读
等径角挤压(Equal-Channel Angular Pressing,简称ECAP)技术作为细化晶粒尺寸的一种有效方法,特别是在获得块体细晶材料方面,被认为是目前最具有工业化应用前景的技术方法之一,引起了材料专家们越来越多的兴趣和关注,近年来在国际上形成研究热点。但是,到目前为止,对等径角挤压制备技术的工艺、机理尚有许多问题不清楚,还需要进一步的研究。目前,国内外材料科学者对纯铜、铝合金、镁合金、钛合金、工业纯铁等变形抗力低、成形性能较好的金属材料的ECAPT艺有大量的研究,并对经ECAP后材料的性能展开了系统研究；而对变形抗力高、加工硬化显著的金属材料(如不锈钢)的ECAP工艺则研究相对较少,本文旨在对ECAP法挤压304奥氏体不锈钢的工艺及挤压后不锈钢的性能进行探讨研究。
首先借助于Marc有限元软件模拟了等径角挤压过程。等径角挤压过程的计算杌模拟结果显示,等径角挤压过程分为三个阶段：弹性变形阶段、挤压区均匀剪切变形阶段和材料退出模具终了阶段。材料在挤压剪切过程中不同部位所受的应力应变是不均匀的,其中心部受到的应力和应变均最大。然后采用相应的工艺参数,自行设计、制造了挤压模具及其附件,其中模具的内角为900,外角为200。采用Bc路径对304奥氏体不锈钥在室温下进行挤压,并对每道挤压后的试样进行740℃-20min和840℃-5min两种工艺的退火处理,以消除加工硬化和形变诱发马氏体。
对304不锈钢室温ECAP挤压后的晶粒细化行为及性能测试表明,ECAP工艺的确能细化不锈钢晶粒,并随着ECAP挤压道次增加,细化效果越来越显著,两种退火工艺下通过三道次的挤压,晶粒从原先的55μm细化到6μm和4μm。挤压1道次后材料硬度有较大幅度提高,随道次的增加,硬度提高幅度减缓,通过三道次的挤压,不锈钢的硬度从原始固溶态的187HV提高到402HV,硬度提高的原因主要是加工硬化的作用和形变诱发马氏体的产生。挤压后不锈钢的耐蚀性能比固溶态差些,其中原始固溶态开路电位最大189mV,腐蚀电流密度最小1.448μA/cm2,极化电阻最大42140Ω/cm2;第三道挤压后试样的耐腐蚀性能最差,其开路电位为121 mV,腐蚀电流密度最大为3.293μA/cm2,极化电阻最小为24870Ω/cm2,挤压后不锈钢的耐蚀性能比固溶态差,原因是挤压后试样内位错密度和晶界缺陷大幅提高,导致腐蚀微电池的增多；同时挤压后表面钝化膜的均匀性和稳定性下降,使材料耐腐蚀性能降低。
对挤压后试样经不同温度和时间退火后,研究了不锈钢的热稳定性、显微组织、硬度和耐蚀性能的变化,发现随着退火温度和时间的增加,组织发生回复和再结晶,晶粒长大、硬度下降,耐蚀性能则较挤压后未热处理状态有了较大幅度的提高,并且温度的升高对组织和性能比时间的增加影响更大。原因是退火使挤压试样中的位错密度降低,残余应力减小甚至消除,形变马氏体发生了逆转变,因此硬度降低。同时形变存储能释放,材料从高能量向低能量的平衡组织转变,并且铬元素在表面能驱动下向表面富集,快速发生自钝化,形成表面钝化膜,因此提高了耐腐蚀性能。 ECAP工艺细化晶粒的过程可描述为：随着强烈塑性变形的进行,粗大晶粒被破碎成一系列具有小角度界面的亚晶,亚晶沿一定方向拉长呈带状结构,晶粒尺寸从几百微米细化到亚微米级；接着亚晶继续被破碎,但显微结构呈现部分等轴晶,并且开始出现大角度界面；最后观察不到任何亚晶带,显微结构主要为大角度晶界的等轴晶。目前对ECAP细化机理认识还不完全统一,对于晶体结构为面心的304奥氏体不锈钢,层错能较低,孪晶细化机制起到主导作用,同时还可能伴随着位错滑移细化机制、动态再结晶细化机制。