1000℃下不同轧制变形量对2507双相不锈钢力学性能及其组织的影响

  双相不锈钢轧制是将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩成型，使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产型材。不仅可以制备出板带等各种型材，可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，改善材料内部的显微组织，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要是晶粒沿轧制方向被拉长，形成变形织构，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；铸造时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合，提高材料的力学性能。在铝热反应中，由于较高的冷却速率使铸件内部存在微孔洞，如果不能及时予以去除，将导致材料性能降低。而铸态2507双相不锈钢经过进一步轧制不仅可以细化晶粒，还可以消除组织缺陷，使材料更加密实，力学性能得到改善，为后续加工提供基础。

   浙江至德钢业有限公司组对微纳结构304不锈钢在1000℃轧制，当变形量≤40%轧制后，随轧制变形量的增加，纳米晶奥氏体晶粒尺寸增加，体积分数减少；当变形量≥60%轧制后，纳米晶奥氏体晶粒和亚微米晶奥氏体晶粒消失，长大成微米晶奥氏体晶粒。随着轧制变形量的增加，当变形量≤80%轧制时，屈服强度几乎没有变化，材料的抗拉强度和延伸率都逐渐增加，当变形量为90%时，材料的抗拉强度和延伸率都减小。

  依据课题组前期对2507双相不锈钢的退火实验，在1000℃下退火1.5 小时后微米晶体积分数为43.4%，依然有大量的纳米晶，在再结晶温度以上轧制时，材料的热塑性好，且变形抗力小。因此选择在1000℃下对铸态合金进行轧制开坯处理，改善合金组织，为下一步轧制做好准备，为了寻求最佳开坯参数，分别以40%、60%和80%轧制变形量轧制。并对不同轧制变形量的试样利用XRD、OM、SEM、EPMA和TEM进行组织表征，对拉伸力学性能和硬度进行测试，综合分析获得最佳的开坯工艺。

  将铝热法制备得到的铸态2507双相不锈钢用线切割机切割成100mm×50mm×5mm的长条状试样，使用磨床将上下表面打磨光滑，准备下一步的轧制。图是二辊热冷轧机（郑州光华机械总厂生产，主电机功率：60 KW，最大轧制力：220 KN）的外形图。首先将准备好的铸态2507双相不锈钢放入电阻加热炉内，以8℃/min的速度升温至1000℃，保温10 min后在轧机上轧制，在1000℃保温10分钟有助于试样内部铸造应力的释放，且纳米晶也不至于长大过快。轧辊转速为15 r/min，轧制速度为0.4 m/min，每次压下量为0.15 mm。由于在空气中轧制材料的温度下降很快，因此在每道次之间将试样重新放回电阻炉，保温5 min，使试样的轧制温度保证在1000℃左右。试样的轧制温度为1000℃，轧制变形量分别为40%，60%和80%，试样厚度从5mm分别变至3mm，2mm和1mm，轧制后的试样在空气中自然冷却。

   拉伸性能的测试：根据国家标准GB/T 228.2002金属材料室温拉伸试验的技术要求，拉伸试样用线切割机加工而成，切割方向为轧制方向，拉伸试样尺寸如图3.2所示，标距是10 mm。实验在AT10t试验机上进行，最大载荷为100 KN，拉伸速度为0.2 mm/min。相同轧制参数下得到的试样切割三个，在试验机上重复做三次以保证实验数据的准确性。测出载荷-位移曲线，换算得到应力-应变（σ-ε）曲线，每组实验都取三组数据的平均值。

  硬度的测试：将做完XRD的样品在HBRVU-187.5型布洛维氏光学硬度计上测定硬度。测试中相关参数为：加载载荷是298 N，加载时间是12 s，每个样品上取5个点，这些点要求在样品上分散均匀，每次的测试误差要小于5%，实验的最终硬度值取5个点的平均值。将所得的实验数据使用origin软件求其平均值及标准差，做出曲线图。

   图是轧制试样的宏观形貌图，可以看到材料在轧制变形后有明显的伸长，表面光滑，但在试样的边缘有些小的裂纹。图是微纳结构2507双相不锈钢在1000℃下不同变形轧制量下的XRD图谱，轧制后材料依然由铁素体和奥氏体两相组成，各峰的峰强基本保持不变，其中铁素体峰稍有降低。在1000℃下不同变形轧制量后，材料的相组成和铸态合金一致。利用XRD数据测出半高宽，由谢乐公式可以计算出变形量为40、60和80%的铁素体晶粒尺寸分别为22、21和25 nm，奥氏体晶粒尺寸分别为67、29和29 nm。轧制变形不改变铝热反应法制备出来的微纳结构2507双相不锈钢相组成。图是微纳结构2507双相不锈钢在1000℃下不同轧制变形量下的光学金相组织，可以看出2507双相不锈钢主要由亮的灰白色和灰色两相组成，灰白色为奥氏体，灰黑色为铁素体，还有少量析出物。当试样在1000℃下60%轧制时，奥氏体体积分数减少，这和XRD结果中铁素体（200）峰强度在三个变形量中最强相一致。试样在1000℃下80%轧制时，观察到奥氏体相被拉长，奥氏体体积分数有所增加，利用SEM照片进行更加精确的统计。

    图是微纳结构2507双相不锈钢在1000℃下不同变形轧制量下的EPMA图谱，从背散射图中可以看出合金由灰色和白色构成，试样在1000℃下40%和60%轧制时还有少量黑色点状析出物，与金相照片相吻合。白色相中富含Ni元素和C元素，根据奥氏体形成元素可知白色相为奥氏体相，灰色相富含铬元素是铁素体相。80%变形量轧制后材料有少量的富Cr区。从元素分布上可知黑色析出物主要是碳化物，Si元素在合金中有少量富集，其他元素分布基本均匀。图是微纳结构2507双相不锈钢在1000℃下不同变形轧制量下的SEM组织，图3.8是微纳结构2507双相不锈钢在1000℃下不同变形轧制量下的能谱分析图，表是合金的元素含量。根据奥氏体相富含Ni元素，铁素体富含Cr和Mo元素可知，材料的组织由灰白色的条状奥氏体和铁素体组成。当轧制变形量大于60%时，奥氏体相被拉长，沿着轧制方向平行，使用Image Pro Plus统计10张1000倍的SEM照片，统计奥氏体和铁素体体积分数，轧制变形量为40、60和80%的奥氏体体积分数分别为48、49和27%，铁素体体积分数为52、51和73%，随着轧制变形量的增加，奥氏体体积分数先减少后增加，与铸态相比，奥氏体在变形量为80%时体积分数最少，其他条件下奥氏体体积分数和铁素体体积分数基本一致。