２０１１年第２期　２０１１年　４月　铸造设备与工艺　ＦＯＵＮＤＲＹ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　

・计算机应用・　

核电用３０４不锈钢静态再结晶模型的建立　

张进学　，刘洁　，一，张传滨　，刘金明　

（１．太原科技大学，材料科学与工程学院，山西太原０３００２４；　２．西安交通大学，材料科学与工程学院，陕西西安７１００４９）　

摘要：利用Ｇｌｅｅｂｌｅ—ｌ　５００　Ｄ热力模拟试验机，对３０４不锈钢进行了热压缩模拟试验。研究了变形温度在　９５０℃～１　２００℃之间，变形速率为ｌｘｌ０－３　Ｓ～、ｌｘｌ０之Ｓ～、ｌｘｌＯ　Ｓ～，变形量为５０％的变形行为及组织特征，建立了　３０４钢的静态再结晶晶粒尺寸模型。结果表明：变形量、变形温度、应变速率因素的影响较大；应变量越大，变形　温度越低，应变速率越高，晶粒越细；３０４钢静态再结晶晶粒尺寸模型的建立为大锻件静态再结晶数值模拟分析　提供了可靠的判据。　关键词：奥氏体不锈钢：静态再结晶：晶粒尺寸：数学模型　中图分类号：ＴＧ１４７．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６６９４（２０１１）０２—００１３—０４　

Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｒｅｃｒｙｓｔａｌＩｉｚａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　

ｏｆ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｐｏｗｅｒ　３０４　ｓｔａｉｎｌｅＳＳ　ｓｔｅｅｌ　

ｚＨＡＮＧ　Ｊｉｎ－ｘｕｅ１．１　Ｕ　Ｊｉｅｕ。ｚＨＡＮＧ　Ｃｈｕａｎ－ｂｉｎ、，ＬｌＵ　Ｊｉｎ－ｍｉｎｅ　（１．　ｏｆＭ￣ｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｍｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｘｉ　Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ；　２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎ　ＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｔ　ｃｏｍｐｒｅｓｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　３０４　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｓｉｎｇ　Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００Ｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ（９５０℃～１　２ｏｏ℃）ａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｉｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　１ｘｌＯ　Ｓ～、ｌ×１０－２ｓ～、１ｘｌＯ　Ｓ　ｗｉｔｌｌ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　０．５　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ．ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄ　ａ　ｓｔａｔｉｃ　ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｉｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｒａｔｅ　ｈａｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ．Ｓｍａｌｌｅｒ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｔｅｎｄｅｄ　ｔｏ　ｏｃｃｕｒ　ｕｎｄｅｒ　ａ　ｂｉｇｇｅｒ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｉｎ，ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ｓｔｒａｉｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ａ　ｌｏｗｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｒｅｅｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆ　３０４　ｓｔｅｅｌ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈｅａｖｙ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｓｔａｔｉｃ　ｒｅｅｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｓｔｅｎｉｔｉｅ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ，ｓｔａｔｉｃ　ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ，ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　

超低碳奥氏体不锈钢一ＡＳＭＥ　ＳＡ１８２一Ｆ３０４是　目前核电大锻件的主要材料之一，其中核电堆内构　

件均采用该类材料制造。核电大锻件在制造过程中　多火次加热、多工步变形的加工特点，将引起温度、　应力和变形分布的不均匀性。从而造成大型锻造中　

复杂的动态、静态再结晶。大型锻件静态再结晶组　织同动态再结晶组织一样，由于锻件在前几火次之　

间高温停留时间较长而使细化的再结晶组织无法　保留，而且为了获得最终均匀细化的组织结构，大　

锻件在锻造最后几道次往往在多数区域变形量不　大，很难再通过动态再结晶细化组织，所以通过静　态再结晶来细化晶粒便显得十分重要。　

收稿日期：２０１１－０３－０６　作者简介：张进学（１９８２一），男，硕士研究生。　基金项目：山西省自然科学基金项目（２００８０１２００８—２）。　尽管目前国内外对不锈钢热变形行为及微观　组织变化已有较多研究［１＿７］。但奥氏体不锈钢热成形　

工艺参数对其静态再结晶晶粒尺寸的影响规律研　究报道较为鲜见　ｏ－。本文采用Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００Ｄ热模　

拟试验机进行热压缩实验。就一定的不同变形速　率、不同变形温度下，３０４奥氏体不锈钢的静态再结　

晶热变形行为进行了研究和比较，并建立了静态再　

结晶晶粒尺寸模型，以期为合理制定锻造工艺及进　行大锻件的数值模拟分析提供理论依据。　

１实验方法　

实验材料选用太钢生产的３０４奥氏体不锈钢　初轧钢锭，原始晶粒尺寸为２５０。试样取样位置见图　

１所示。试样尺寸为　８　ｍｍ￣　ｔ０　ｍｍ，试验应变速　

率为ｌｘｌＯ　Ｓ～、ｌｘｌＯ－２ｓ～、ｌｘｌ０　Ｓ～，变形量为５０％，变　

・　１３　・

　铸造设备与工艺　２０１１年第２期　

形温度分别为９５０℃，１　０００　ｏＣ，１　０５０℃、１　１００℃、　

１　１５０℃和１　２００℃。试验时将试样以１０％／ｓ加热　

到１　２５０￣Ｃ，并保温２　ｍｉｎ。再以５￣Ｃ／ｓ的速度降到变　形温度．保温６０　Ｓ后连续压缩变形．变形后保温　

５ｍｉｎ１１０ｍｉｎ１１５ｍｉｎ１３０ｍｉｎ１６０ｒａｉｎ１１２０ｍｉｎ、２４０ｒａｉｎ　然后水激冷以保持高温时的再结晶组织。热压缩实　

验在Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００热模拟试验机上进行。实验用钢　

的化学成分如表１所示。　

图１试样位置分布示意图　

表１试样的化学成分（质量分数，％）　成分ｌ　Ｅ　ｌ　Ｃｒ　ｌ　Ｎｉ　ｌ　Ｎ　ｌ　Ｓｉ　ｌ　Ｍｎ　ｌ　Ｓ　ｌ　Ｐ　３０４钢ｆ　０．０３　ｆ　１８．０｝８．Ｉ｝０．０５　ｆ　０．４３｝０．９５　ｌ　０．０１２ｌ　０．０２８　

２再结晶细化规律　

图２为３０４不锈钢经上述实验方案所确定的　再结晶细化立体图。不同温度条件下动态再结晶临　界应变初始值与临界应变结束值将再结晶三维图　

分为三个区域，其中，ａ区为静态再结晶区域，在此　区域内，当材料高温滞留时会发生晶粒长大，同时　

该区域会随着温度的降低而扩大：ｂ区域为发生部　分动态再结晶区域，在塑性变形结束后，已发生动　

态再结晶的晶粒要进行无孕育期的亚动态再结晶．　没有发生动态再结晶的晶粒则要在一定的孕育期　

后发生静态再结晶；ｃ区为发生完全动态再结晶的　

区域，当变形结束后进行高温滞留时，所有晶粒全　部进行无孕育期的亚动态再结晶软化过程。由图２　

可知，随着变形量的增加，晶粒尺寸不断下降，然后　趋于稳定　

３工艺参数对３０４不锈钢静态再结晶晶粒尺寸的　影响　

３．１　温度对静态再结晶晶粒尺寸的影响　温度对静态再结晶晶粒尺寸的影响如图３所　

・１４－　１　１５０℃　

℃　

图２再结晶细化立体图及分布特征　

示，可知，变形温度越高完全再结晶后的晶粒尺寸　就越大，完成完全静态再结晶所需的时间越短。这　

是因为，一方面，材料变形温度越高，内部的位错密　

度越小，其形核率相对较弱；另一方面，高温条件相　对低温条件下的形变储存能较高，因而，发生静态　

再结晶的速率也较快，完成静态再结晶的时间相对　较短，且晶粒尺寸也较大。　

图３不同温度条件下晶粒尺寸随保温时间的变化　

分析图３中的曲线走势可以看出，３０４钢晶粒　

在各个温度下保温时均迅速长大，１　０７５℃晶粒尺　

寸在３０　ｍｉｎ之内从初始晶粒尺寸７４增长至１　１０（３　级），晶粒增长逐渐趋于稳定；１　１５０　ｃＩ＝晶粒尺寸在　

３０　ｍｉｎ之内增长至１３９：１　２００℃晶粒尺寸在３０　ｍｉｎ　之内迅速增长至４２０，之后的长大趋于稳定。分析得　出，在３０　ｒａｉｎ之内，平均晶粒尺寸会长大至该温度　

下极限晶粒尺寸的９０％以上，６０　ｍｉｎ之后，会长大　

至极限晶粒尺寸的９６％以上。可以看出，在保温的　初始阶段，晶粒长大迅速，随着时间的延长。晶粒长　

大逐渐趋于稳定。就增长速度而言．温度在１　０７５　ｏＥ　

之后的增长速度要明显高于１　０７５　ｏＥ之前。　

图４为３０４不锈钢在特征温度下晶粒完全长　大晶界金相照片。可知，

９５０℃时，晶粒尚处于均匀　２０１１年第２期　张进学，刘洁，张传滨，刘金明：核电用３０４不锈钢静态再结晶模型的建立　铸造设备与工艺　

细化阶段，１　０７５℃时已经出现明显的混晶，１　２００　ｏＣ　

时，混晶现象基本消除，粗大晶粒完全吞噬了细小　晶粒。可以得出，ｌ　０７５　ｏＣ为３０４钢的晶粒粗化温　

度。　

ａ）９５０℃均匀细晶　ｂ）１　０００℃部分长大　

ｃ）１　０７５℃明显混晶ｄ）１　２００　ｏＣ完全粗晶　

图４　３０４钢在特征温度下晶粒完全长大晶界金相照片　

综上得出．温度对３０４钢的晶粒长大过程影响　

非常显著。保温时间的影响相对较弱。这一特性对　

于大型锻件保留高温细化的再结晶组织非常不利。　３．２应变量对静态再结晶晶粒尺寸的影响　在变形温度为１　１００　ｏＣ，应变速率为０．１　ｓ　条　件下．做双道次不同应变量对静态再结晶的影响试　

验，第一道次变形量分别为３０％、５０％，第二道次均　为５％，间隔时间为１０　Ｓ、２０　ｓ、３０　Ｓ，利用截线法测　

出静态再结晶晶粒尺寸，结果如图５所示，可知，低　

应变条件相对于高应变条件的静态再结晶晶粒尺　寸平均要高２４左右．这是因为。在其他变形条件一　

定的条件下。变形程度越低，材料内部所累积的位　

错密度越低．再结晶形核率就低，相对于高应变条　件，静态再结晶平均晶粒尺寸也较大；另一方面，由　

于高应变条件下材料内部所累积的位错密度较高．　形核率较高。因而完成完全静态再结晶所需的时间　

就较长　

图５不同应变量下晶粒尺寸与保温时间的关系　３．３初始晶粒大小对静态再结晶晶粒尺寸的影响　图６所示，初始晶粒尺寸为２３（８级）时，长大　过程主要集中在初期的３０　ｍｉｎ内，之后晶粒长大趋　

势趋平缓，初始晶粒尺寸为７４（４．５级）时，在整个增　

长过程中，增长速度略显均匀。因为奥氏体晶粒长　大是通过晶界的迁移进行的。晶界推移的驱动力来　

自奥氏体的晶界能。奥氏体的初始晶粒越细，界面　积越大，晶界能量越高，驱动力越大，晶粒长大速度　

越快，最终将减少界面能，使系统能量降低，而趋于　

稳定。其次初始晶粒尺寸越小，最终稳定时的晶粒　尺寸也越小。　

图６初始晶粒尺寸完全再结晶晶粒尺寸的影响　

３．４应变速率对静态再结晶晶粒尺寸的影响　图７为应变速率对３０４奥氏体不锈钢静态再　

结晶晶粒尺寸的影响。可以看出，变形量为５０％，变　形温度在９５０℃条件下，应变速率为０．００１　ｓ　时晶　

粒尺寸为２８．７７，应变速率为０．Ｏ１　ｓ一时晶粒尺寸为　

２４．２２，应变速率为０．１　ｓ　时，晶粒尺寸为２１．５１。再　结晶晶粒尺寸随应变速率的增加而变细，这是因为　

其他变形条件相同的情形下，变形速率越高，变形　

后所累积的位错密度越大．可以发生静态再结晶的　驱动力也较高，形核率也较高，所以，再结晶晶粒较　为细密，晶粒尺寸也相对较小。另一方面，随着变形　

温度的增加．在不同应变速率下所产生的晶粒尺寸　

的差别也增大，这是因为晶粒尺寸受温度的影响也　较大（见３．１）。　

可以看出，在不同应变速率下，３０４奥氏体不锈　钢的晶粒随温度的增加。稳定晶粒尺寸也在不断增　

加，但曲线在１　０５０℃～１　１００℃的过程中，晶粒长大　

速率放缓，当超过了１　１００　ｏＣ之后，长大速率又有明　

显的增加，这一特点在４．１中也有了较好的体现。　

４　３０４奥氏体不锈钢静态再结晶晶粒尺寸模型　

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