JMatPro助力022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢高温热变形行为研究
双相不锈钢是由铁素体和奥氏体组成的一种特殊类型的钢种，兼具铁素体和奥氏体的各项特点，具有比奥氏体不锈钢更高的强度、比铁素体不锈钢更高的韧性和抗应力腐蚀开裂性能。由于其优异的综合性能，双相不锈钢被广泛应用于建筑、海洋等诸多领域。为满足各领域的使用要求，热加工工艺是确保其具备优异综合性能的关键。目前，对于双相不锈钢的研究主要集中在热处理工艺、力学性能、断裂机制以及疲劳寿命等方面。对于双相不锈钢的热加工机制虽然也有报道，但部分研究忽略了脆性。相的析出且热变形温度普遍较低。
江苏大学罗锐团队借助于JMatPo金属相图及材料性能计算软件、Gleeble-3500 热力模拟试验机研究了022Cr22N5M3N 双相不锈钢的高温热变形行为，揭示了其在 1000~1150 ℃，0.01~5s-1下的热变形特征。结果表明:022Cr22Ni5M03N 双相不锈钢的热变形温度应大于脆性σ相的溶解温度，即 980 ℃;其次，材料的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而减小。基于动态材料模型构筑了材料的热加工图，并结合微观组织进行了验证。其最佳热加工窗口为1090~1125℃、0.01~0.03s-1，该区域对应的组织特征为:两相组织均匀，奥氏体相发生充分动态再结晶且组织中不存在σ相;在失稳参数 1100 ℃、5s条件下，组织中两相晶粒被明显拉长且再结晶比例低，相界处的析出物易诱发裂纹。因此实际加工参数应接近最佳热加工工艺窗口，避免失稳区参数及σ相的应变析出。
1、实验材料
采用由江苏孚杰集团提供的锻态022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，其主要化学成分如表1所示。利用JMatPro软件计算出022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢的平衡相图，如图1所示。确定脆性 σ 相的溶解温度为 980 ℃ ，因此热变形温度应高于此，严格避免在热变形过程中应变诱发 σ 相的析出。热压缩工艺流程如图 2 所示。
图1 022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢的热力学平衡相图
图2 022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢的热压缩工艺示意图
2、试验结果与分析
2. 1 流变真应力－真应变曲线
图3为不同变形条件下022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的流变真应力-真应变曲线，可以发现流变曲线表现出3个阶段。第1阶段是变形初期，流变应力随着应变量的增大而上升，此时大量位错堆积在晶界附近，使得流变应力急剧增大;第2阶段是当应变量增大到一定程度后，位错堆积达到一定程度后会激活动态回复(Dynamic Recovery,DRV)和动态再结品(Dynamic Recrystallization,DRX)，在硬化与软化的相互竞争作用下，使得流变应力达到峰值;第3阶段是随着应变量的持续增加，流变应力在峰值后逐渐下降并基本保持不变，稳态阶段随即出现。
图3 022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢在不同应变速率下的真应力－真应变曲线：(a)0.01 s-1;(b)0.1 s-1；（c）1 s-1；（d）5 s-1
2. 2 热变形本构方程建立
为了得到热变形本构方程，需要分别计算材料常数α、A、n和热变形激活能Q。本研究选用应变为 0.3 时的流变应力进行计算。基于郝建军等的本构模型推导内容，绘制如图4、图5 和图6曲线。具有两相组织特征的 022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢的热加工难度较大。
本文最终得到 022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢在变形温度 1000~1150 ℃、应变速率 0.1~5s条件下的本构方程为：
2. 3 热加工图构建
热加工图由功率耗散图和流变失稳图叠加而成，是评估金属材料在变形过程中形变特征的有效工具基于动态材料模型(Dynamic Material Model,DMM)理论构建的热加工图可以直观判断金属材料的“可加工性”，确定金属材料的最佳加工区间。
图 7 022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢不同应变下的热加工（a）0.3；（b）0.4；（c）0.5；（d）0.6
3、结语
1) 利 用 JMatPro金属相图及材料性能计算软件计算出0022Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢的平衡相图，确定了脆性σ相的溶解温度为 980 ℃。高温热变形的温度范围设定为 1000~1150℃，严格避免了脆性σ相的析出。
2) 022Cr22Ni5Mo3N 双 相 不 锈 钢 在 1000 ～1150 ℃、0. 1～5 s－1的变形条件下，流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小。该材料的本构方程为:
3)随着应变的增加，该材料热加工图中的耗散峰值区由双峰逐渐变为单峰，说明 022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的最佳热加工窗口也在该过程中不断缩小，最终确定温度 1090 ～ 1125 ℃、应变速率 0. 01 ～0. 03 s－1为最佳热加工工艺窗口。
参考文献：周洲,崔力云,钱喜根,等.022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢高温热变形行为[J].塑性工程学报,2024,31(08):125-132.
JMatPro软件一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，尤其适用于实际工业的多组分合金。使用JMatPro可以设计合金成分、开发新合金和改进各种热处理工艺等，也可用于与各种CAE软件（DEFORM、FORGE、ProCAST、Magma、Sysweld、Thercast等）一起进行工艺流程设计与仿真。
JMatPro软件主要功能包括：（1）平衡相图计算；（2）凝固及材料性能计算；（3）材料热物性能计算；（4）机械性能计算；（5）相转变动力学计算；（6）材料优化设计；（7）API功能；（8）MPO功能。
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