304 不锈钢高温力学性能的物理模拟关小霞田建军杨健指导教师：杨庆祥胡宏彦博士燕山大学材料科学与工程学院摘要：采用Gleeble-3500热模拟试验机对304 不锈钢的高温力学性能进行了物理模拟。

对模拟结果中应力-应变曲线进行分析，并结合断口附近组织形貌的观察，得出结论：金属的极限应力随温度升高呈下降趋势；在δ-Fe向γ-Fe转变的某一温度，金属塑性急剧下降；对断口附近金相组织及SEM分析，推测晶界处可能存在着元素偏聚或析出相现象。

关键词：304不锈钢；力学性能；物理模拟1.前言：双辊铸轧不锈钢薄带技术是目前冶金及材料领域的前沿技术之一[1]，是直接用钢水制成2-5mm厚薄带的工艺过程。

该技术可以大大简化薄带钢的生产流程，降低生产成本，并形成低偏析、超细化的凝固组织，从而使带材具有良好的性能，被公认为钢铁工业的革命性技术[2、3]。

但是，不锈钢经铸轧后，薄带表面会形成宏观的裂纹，从而降低不锈钢薄带的力学性能，影响其质量[4-6]。

国内外在双辊铸轧不锈钢薄带技术上已经开展了一些研究工作。

文献[7]对比了铸轧铁素体和奥氏体不锈钢薄带；文献[8、9]对铸轧304不锈钢薄带过程中高温铁素体的溶解动力学进行了研究；文献[10]对不锈钢薄带铸轧过程中凝固热参数和组织进行了研究；文献[11-14]对不锈钢薄带铸轧过程中的流场和温度场进行了数值模拟；文献[15]对铸轧304不锈钢薄带的力学性能进行了研究。

文献[16]对304不锈钢在加热过程中的高温铁素体形核与长大和夹杂物在固－液界面的聚集进行了原位观察；文献[17]对薄带铸轧溶池液面进行了物理模拟；文献[18]对铸轧不锈钢薄带过程的凝固组织、流场、温度场及热应力场进行了数值模拟。

但是，缺少对铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理、演变规律以及预防措施方面的研究。

在高温性能物理模拟方面，国内外也有不少研究。

文献[19]应用THERMECMASTOR-Z热加工模拟机对奥氏体不锈钢的高温热变形进行了模拟试验；文献[20]利用Gleeble-1500试验机对铸态奥氏体不锈钢在1000-1200℃温度区间进行了热压缩试验；文献[21]从位错理论角度出发，对高钼不锈钢热加工特征与综合流变应力模型进行了研究。

但是，对铸轧不锈钢薄带高温力学性能的物理模拟方面的研究却极少。

为此，本项目前期工作对实际双辊铸轧生产过程中的薄带裂纹进行了研究，阐明了双辊铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理。

在此基础上，本阶段研究工作拟采用物理模拟的方法研究304 不锈钢的高温力学性能，揭示双辊铸轧不锈钢薄带裂纹的演变规律。

2.试验方法：采用Gleeble-3500热模拟试验机进行高温力学性能的物理。

试样为Φ10×125mm圆柱试样，采用凝固法，先将试样以10℃/s的速度加热至1330℃，保温2min，然后以20℃/s的速度冷却到固相线以下规定的拉伸温度，在恒温下以1×10-3/s的拉伸速率进行拉伸变形。

测得304 不锈钢在不同变形温度下的应力-应变曲线。

制作金相和扫描试样，进行金相观察和SEM观察，对断口附近组织进行进一步观察研究。

3.实验结果及分析3.1 304 不锈钢高温应力-应变曲线分析本试验在Gleeble3500热模拟试验机上，测得了304 不锈钢在不同温度下的应力-应变关系曲线。

图3-1为热模拟试样拉伸断口的宏观形貌，从图中可以看出拉伸温度为1150℃和1200℃的试样断口处出现了明显的颈缩，断面收缩率较大，属于延性断裂；其余试样在拉伸过程中几乎没发生塑性变形，断面收缩率很小，属于脆性断裂。

即温度为1150℃-1200℃范围内塑性较好。

700℃800℃900℃1000℃ 1100℃ 1150℃ 1200℃ 1250℃1300℃1330℃图3-1 304 不锈钢拉伸断口的宏观形貌图3-2 304 不锈钢在不同温度下拉伸的应力-应变曲线(a)700℃ (b)800℃ (c)900℃ (d)1000℃ (e)1100 (f)1150℃(g)1200℃ (h)1300℃0.00.10.250100150200250300S t r e s s (M P a )Strain(a)0.000.020.040.06020406080100120140s t r e s s (M P a )Strain(b)0.000.050.10020*********S t r e s s (M P a )Strain (c)0.000.020.04010********S t r e s s (M P a )Strain(d)0.00.10.20.30.4-100102030S t r e s s (M P a )Strain(e)0.00.10.20.3-10010203040S t r e s s (M P a )Strain(f)0.00.10.20.30.4-100102030S t r e s s (M P a )Strain(g)0.0000.0050.0100.015-505101520S t r e s s (M P a )Strain(h)图3-2为 304 不锈钢在不同温度下拉伸的应力-应变曲线。

对比这几组曲线可以看出，随着温度的升高，曲线在达到极限应力后越来越平缓。

304 不锈钢变形抗力与形变温度有一定关系，形变温度愈低，变形抗力愈大。

温度在700℃至1300℃两者间时，以700℃时的变形抗力最大，随着应变增大，拉伸应力不断增大达到临界值后急剧下降，直到试样断裂；拉伸温度为1150℃和1200℃的试样，在拉伸应力达到最大值后，随应变增加变化不大，对比图3-1发现此时材料塑性较好。

变形抗力随形变温度升高而降低的主要原因是奥氏体强度随温度升高而降低，因而温度愈高，变形愈容易；反之，形变温度愈低，变形愈困难，变形抗力愈大。

高温时塑性迅速下降是由于当温度达到δ-Fe 向γ-Fe 转变温度时，晶体由体心立方向面心立方转变，晶体结构在此温度发生改变，在转变的瞬间晶格内部及晶格间作用力最低，导致塑性下降。

当受到拉应力作用时，裂纹迅速扩展，试样断裂。

3.2 断口附近金相组织分析对比试样断裂前端的金相照片，如图3-3所示，可以看出，拉伸温度为1200℃试样的缩孔最大。

从前面应力-应变曲线分析出，试样在1200℃拉伸时表现出来的塑性最好，加上温度较高，使得1200℃试样的应力-应变曲线在达到极限应后并没有马上卸载，而是经过一段相对较长的时间，在拉应力作用下形成较大缩孔。

图3-3 在不同温度拉伸试样的断口前端的金相照片 (a)800℃ (b)1100℃ (c)1200℃ (d)1300℃(b)(a)(c)(d)图3-4拉伸温度为1300℃试样的金相照片试样在温度为1300℃时拉断，断口处金相照片如图4-11所示。

从图中可以看出，晶界处明显凹陷。

在制作金相试样时，由于304 不锈钢耐腐蚀性很强，故选用王水进行腐蚀。

王水的腐蚀性极强，在腐蚀不锈钢试样的同时，也会将偏聚的合金元素或析出相腐蚀。

因此，采用SEM进一步进行观察。

3.3 断口附近扫描形貌为了确定拉伸温度为1300℃试样断口附近，凹陷处晶界是否为裂纹沿晶界扩展现象，采用扫描电子显微镜对试样进行扫描，结果如图3-5所示。

从图中可以看出，沿晶界凹陷处并没有像从金相照片中看到的凹陷的那么深，只是略低于表面。

说明此处的裂纹是沿晶界扩展，断裂类型是沿晶断裂，同时在晶界处存在着元素偏聚或是析出相，被强腐蚀性物质王水的腐蚀掉，沿晶界留下较浅的凹陷。

(a)AB(b) (c)图3-5拉伸温度为1300℃试样的组织形貌扫描图(a)全貌 (b)A区放大 (c)B区放大图3-6 拉伸温度为1300℃试样表面元素扫描 (a )扫描区域 (b )Cr (c)Fe (d)Mn (e)Ni (f)S对试样表面进行面扫描，选取 304 不锈钢化学成分的基本元素和易在晶界偏聚元素Fe 、Cr 、Ni 、Mn 、S 等元素进行，结果如图4-13所示。

从图中可以看出，各元素在扫描面上分布都很均匀，并没有出现偏聚现象，而晶界处又有凹陷现象存在，推测晶界可能处存在着析出相或元素偏聚现象。

4. 结论本阶段采用Gleeble-3500热模拟试验机对 304 不锈钢的高温力学性能进行了物理模拟。

通过对模拟结果中应力-应变曲线的分析和断口附近组织形貌的观察，得出结论：（1）比较不同温度下的应力-应变曲线，拉伸温度在700℃至1300℃之间时，以700℃时的变形抗力最大，温度为1150℃和1200℃时塑性较好；（2）金属的极限应力随温度升高呈下降趋势；在δ-Fe 向γ-Fe 转变的某一温度，金属塑性急剧下降；（3）对断口附近金相组织及SEM 分析，推测晶界处可能存在着元素偏聚或析出相现象。

(f)(e) (d) (c) (b)(a)5. 后续研究工作（1）建立有限元模型，对铸轧工艺过程中温度场、结晶过程、应力应变场进行数值模拟、理论分析，并进行试验验证，确定其正确性。

通过实验得出铸轧过程最佳几何及工艺参量。

（2）从工艺优化和钢材变质的角度，提出双辊铸轧不锈钢薄带预防开裂的措施。

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