鐵素體不銹鋼無縫管內(nèi)高壓成形工藝對管材的塑性要求有哪些

   鐵素體不銹鋼無縫管的開發(fā)思路來源于部分內(nèi)高壓成形工藝對管材的塑性要求非常高，而雙相不銹鋼無縫管的塑性達(dá)不到該水準(zhǔn)。以鐵素體為基體的TRIP不銹鋼具有很高的延伸率，并且加工硬化性能更好，可以滿足更加苛刻的成形工藝的要求，所以，不銹鋼無縫管的開發(fā)是非常必要的。鐵素體基體的TRIP鋼的組織中除鐵素體外，還包含貝氏體、殘余奧氏體和馬氏體，其中馬氏體含量最少。鐵素體為等軸狀，貝氏體、殘留奧氏體和馬氏體分布在鐵素體晶界處，少量存在于鐵素體內(nèi)部。決定TRIP鋼強(qiáng)度的因素來自馬氏體、貝氏體和合金元素固溶強(qiáng)化的共同貢獻(xiàn)，塑性依賴于殘余奧氏體、貝氏體和鐵素體三相組織的優(yōu)勢互補(bǔ)。以鐵素體為基體的TRIP鋼與雙相鋼相比，在塑性上有很大的優(yōu)勢，而強(qiáng)度則略低。馬氏體往往被認(rèn)為是TRIP鋼中對塑性有不利影響的因素，但通過合理的控制其形態(tài)和分布，既可以適當(dāng)?shù)奶岣邚?qiáng)度，又可以誘發(fā)一定量的可動(dòng)位錯(cuò)，消除屈服平臺。在不銹鋼無縫管的開發(fā)中，首先采用傳統(tǒng)工藝，試制出了具有良好強(qiáng)塑性配合的鋼管，并通過T形管內(nèi)高壓成形的方式，對加工過程中的變形行為進(jìn)行了研究；另外，通過優(yōu)化工藝窗口，將各相體積分?jǐn)?shù)、分布與形態(tài)進(jìn)行了合理的控制，將工藝流程縮短，為其在線生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。由于不銹鋼無縫管的微觀組織中包含多種相，所以，研究過程針對于熱處理過程中各相的演變規(guī)律及其與力學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行展開：

 一、鐵素體

   TRIP鋼中的鐵素體是其顯微組織中硬度最低、塑性較好的相。鐵素體比貝氏體軟，塑性較好，容易吸收因殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變引起的體積膨脹，因而對TRIP效應(yīng)有較好的輔助作用。TRIP鋼的良好塑性是大量穩(wěn)定的殘余奧氏體與鐵素體基體共同作用的結(jié)果。當(dāng)鐵素體含量增加，擴(kuò)散到殘余奧氏體中的碳含量增加，則殘余奧氏體含量和穩(wěn)定性增加、屈服強(qiáng)度降低、均勻伸長率和總伸長率增加，但基本不影響抗拉強(qiáng)度；但是，當(dāng)鐵素體含量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，會使珠光體相變C曲線左移，形成的孕育期縮短，珠光體一旦形成，殘奧中的碳、錳含量和穩(wěn)定性都會急劇下降。在成分一定的條件下，TRIP鋼中鐵素體晶粒大小主要受母相奧氏體晶粒尺寸及熱處理工藝的影響。

   TRIP鋼在熱處理過程中，最終組織中的鐵素體量與臨界退火溫度和時(shí)間有密切的關(guān)系。迄今為止，關(guān)于臨界退火溫度對TRIP效應(yīng)的影響觀點(diǎn)并不統(tǒng)一。浙江至德鋼業(yè)有限公司研究人員認(rèn)為臨界退火溫度在略高于Ac1時(shí)可獲得最佳的殘余奧氏體含量和力學(xué)性能；在進(jìn)行的系列試驗(yàn)是在Ac1之上10-25℃進(jìn)行臨界區(qū)退火，形成的奧氏體體積分?jǐn)?shù)為;一些學(xué)者則認(rèn)為退火結(jié)束時(shí)鐵素體和奧氏體含量相同時(shí)的溫度為最佳溫度，在此溫度下退火可使試樣的力學(xué)性能最佳：為了獲得較高的殘余奧氏體分?jǐn)?shù)，所選擇的臨界區(qū)退火溫度是(AcI+Ac3)/2;也有人認(rèn)為選擇臨界退火溫度在Acl和Ac3之間，并且在接近Ac3溫度時(shí)，以較低的冷卻速率降溫到Aci附近，然后再快速冷卻，這樣可得到最佳的強(qiáng)塑積。本文研究中，所選擇的臨界退火時(shí)的奧氏體的含量在50%至60%左右。

  二、貝氏體

    TRJP鋼中形成的貝氏體一般為無碳貝氏體，也稱貝氏體鐵素體。無碳化物貝氏體內(nèi)部無碳化物析出，呈板條狀，有時(shí)也呈粒狀，有表面浮凸效應(yīng)。高強(qiáng)低合金TRIP鋼中，鐵素體和殘余奧氏體主要對塑性產(chǎn)生影響，而貝氏體主要對強(qiáng)度產(chǎn)生影響。影響貝氏體強(qiáng)度的因素主要包括：貝氏體鐵素體的晶粒尺寸；板條或片內(nèi)位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)；硅、錳等置換型元素和碳等間隙型元素的固溶強(qiáng)化；碳化物的彌散強(qiáng)化。TRIP鋼在熱處理過程中，臨界區(qū)退火溫度和時(shí)間造成奧氏體體積分?jǐn)?shù)和奧氏體中第一次富碳量的不同，從而影響隨后的貝氏體形成量和組織形態(tài)。隨著退火溫度上升，鐵素體量減少，而貝氏體量增加。此外，貝氏體區(qū)等溫的溫度和時(shí)間對熱處理最終組織中貝氏體的形成量及組織形態(tài)有極大的影響。在貝氏體區(qū)等溫的過程中，通過在貝氏體形成過程中碳的第二次富集，使殘留奧氏體的穩(wěn)定性大大提高，并在隨后的冷卻過程中保留下來，其等溫溫度和時(shí)間的選擇對最終組織中貝氏體的形成量及組織形態(tài)都有重大影響。如果轉(zhuǎn)變溫度過高，碳向奧氏體中大量擴(kuò)散，會使貝氏體晶粒過度長大，鋼的強(qiáng)度降低：若轉(zhuǎn)變溫度過低，盡管碳大部分固溶于貝氏體，貝氏體晶粒較小，鋼的強(qiáng)度較高，但殘余奧氏體量降低，使鋼的塑性不足。

    三、殘余奧氏體

    TRIP鋼中的殘留奧氏體是作為一個(gè)獨(dú)立相而存在的，它主要對鋼的塑性產(chǎn)生影響，同時(shí)在應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變過程中對鋼的強(qiáng)度也做出貢獻(xiàn)。在化學(xué)成分一定的情況下，TRIP效應(yīng)的影響與下列因素有關(guān)。

   1. 與殘余奧氏體的含量有關(guān)。殘余奧氏體的含量高，應(yīng)變硬化率高，則TRIP效應(yīng)強(qiáng)，但高含量的殘余奧氏體并不一定對應(yīng)著高的延伸率。

   2. 與殘余奧氏體的化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)。殘留奧氏體的化學(xué)穩(wěn)定性由殘留奧氏體中碳含量及碳在其中的分布所決定，不能簡單地認(rèn)為碳含量越多，碳分布越均勻，Ms點(diǎn)越低，化學(xué)穩(wěn)定性就越好。碳含量決定殘余奧氏體的流變行為及其在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體過程中的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力。碳含量太高，導(dǎo)致變形后殘余奧氏體不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而不能提高塑性；碳含量較低，塑性變形時(shí)，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的速度太快也不能提高塑性。

   3. 與殘余奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性有關(guān)。殘余奧氏體的形貌和晶粒大小及周圍相的影響決定了它的機(jī)械穩(wěn)定性。當(dāng)殘余奧氏體晶粒的尺寸大于1um時(shí)，其穩(wěn)定性降低且對材料的塑性基本沒有作用；但是當(dāng)殘余奧氏體島的尺寸小于亞微米尺寸時(shí)，其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的趨勢降低，因此即使發(fā)生頸縮時(shí)對塑性也沒有作用。在貝氏體板條間以薄膜狀出現(xiàn)的殘余奧氏體比在鐵素體內(nèi)部或貝氏體束之間以塊狀分布的殘余奧氏體的穩(wěn)定性高；而塊狀殘余奧氏體對TRIP效應(yīng)貢獻(xiàn)較小，因?yàn)樵诤苄〉膽?yīng)變下塊狀殘余奧氏體就可以向馬氏體轉(zhuǎn)變。

    4．馬氏體在貝氏體等溫時(shí)間較短時(shí)，部分奧氏體沒有轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，而是在冷卻至室溫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在TRIP鋼無縫管的開發(fā)過程中，消除屈服平臺是非常必要的，所以在組織中含有一部分馬氏體符合目標(biāo)性能，為了彌補(bǔ)馬氏體帶來的塑性的損失，需要通過退火工藝來增加殘余奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性，本文將在該方面進(jìn)行詳細(xì)研究。

    近些年來，不銹鋼無縫管內(nèi)高壓成形技術(shù)發(fā)展非常迅速，在成形工藝的應(yīng)用及研究已趨于成熟化、系統(tǒng)化的大環(huán)境下，對于管材材料的性能提出了更高的要求?？梢詽M足大變形并保證安全性的管材普遍成本較高，這也在一定程度上限制了內(nèi)高壓成形技術(shù)的發(fā)展。我國在先進(jìn)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)技術(shù)的研究方面近年已取得顯著進(jìn)展，如何將其生產(chǎn)方式及所沉淀的技術(shù)成果應(yīng)用于高強(qiáng)塑積鋼管的工業(yè)制造上是本文研究的主要目的。浙江至德鋼業(yè)有限公司研究將著眼于可以實(shí)現(xiàn)在線生產(chǎn)的高強(qiáng)塑積鋼管制造工藝進(jìn)行研究開發(fā)。這一方面可以擴(kuò)大內(nèi)高壓成形工藝范疇，降低原料成本，另一方面，在取材上立足于選用市面上常見規(guī)格的鋼管作為原料，這對處理過剩產(chǎn)能也可提供新的途徑。由于高強(qiáng)塑積鋼管為復(fù)相組織，研究其微觀組織在內(nèi)高壓成形過程中的演變行為以更好發(fā)揮其性能優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合鋼管成形過程中的應(yīng)變硬化效應(yīng)以進(jìn)一步提高汽車零部件的強(qiáng)度，增強(qiáng)汽車的安全性。本文旨在將高強(qiáng)塑積鋼管的工業(yè)生產(chǎn)與汽車材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化相結(jié)合的研究開發(fā)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場前景。