304奥氏体不锈钢冷加工硬化的研究

３０４奥氏体不锈钢冷加工硬化的研究

王斯琦

（工程技术大学材料科学与工程学院１２３０００）

摘要：室温条件下采用简单拉伸实验研究了３０４奥氏体不锈钢薄板的加工硬化规律与机理，组织分析结果表明：在室温条件下冷加工，形变过程中发生的组织结构变化产生的强化效应引起加工硬化，在观察到的形变组织结构中，应变诱发α－马氏体、∑－马氏体和形变孪晶对流变应力有明显的影响，是３０４奥氏体不锈钢这种低层错能面心立方结构合金具有较强的加工硬化能力的根本原因。

关键词：冷加工工艺，加工硬化，３０４奥氏体不锈钢，马氏体

０前言

３０４奥氏体不锈钢薄板是常用的冲压材料，该材料在冷加工过程中或冷加工完成以后，因显著的加工硬化和很高的残余应力，冲压制品极易开裂，成为实际生产中普遍存在的技术难题。从微观角度看，该合金变形时，滑移面及晶界上产生大量位错，致使点阵产生畸变。脆性的碳化物等被破碎，并沿流变方向分布。形变量越大时，位错密度越高，应力及点阵畸变越严重，使金属变形抗力和硬度随变形而增加，塑性指标降低，产生明显的加工硬化现象。当加工硬化达一定程度时，如继续形变，便有开裂或脆断的危险，其残余应力极易引起冲压制品自爆破裂，在环境气氛中，放置一段时间后，合金还会自动产生晶界开裂（通常称为“季裂”）。

加工硬化是研究金属力学性能的重要课题之一。通过研究３０４奥氏体不锈钢薄板在外应力作用下的形变过程及机理，了解各种外因素对形变的影响，不仅对制定塑性加工工艺、分析和控制加工件的质量是十分必要的，而且对了解该材料的力学性能、合理使用该材料、提高其性能、挖掘其应用潜力等都具有重要意义。在实际生产中，不管是消除残余应力还是使材料软化，对于不锈钢多工序冲压必须进行工序间的软化退火（即中间退火），以消除应力、降低硬度、恢复塑

工。因此，研究３０４奥氏体不锈钢薄板的加工硬化性，方能进行下一道加]21[

及退火软化不仅具有明显的实际意义，而且具有十分重要的理论意义。。

１３０４奥氏体不锈钢材料

奥氏体不锈钢根据奥氏体的稳定性可分为两类，即稳态和亚稳态奥氏体不锈

钢。稳态奥氏体不锈钢是指在大量变形后仍能保持奥氏体显微结构的那些钢（如３０１型不锈钢），而亚稳态奥氏体不锈钢是指当应变时容易转变为针状马氏体显微结构的那些钢（如３０４型不锈钢），这两类钢之间的差别的最好说明是两种钢的应

线（如图１）。其中３０４型不锈钢为亚稳态奥氏体不锈钢的代表，力一应变曲]3[

应变后开始马氏体转变，其应力一应变曲线上加工硬化率显著的增加。与铁磁性的铁素体及马氏体类不锈钢不同，奥氏体不锈钢是无磁性的。３０４不锈钢的屈服强度经４５％冷加工变形后可以从２２８ＭａＰ增加到１３７５ＭａＰ]4[。３０４不锈钢能强化到这种程度，是因为在强烈的冷变形时发生了奥氏体向马氏体的转变，这样一来就导致不锈钢具有一定的磁性。

图１稳定态和亚稳态奥氏体不锈钢的应力一应变曲线]3[

铁、铬和镍是铬镍奥氏体不锈钢的三大基础元素。通过主要合金元素铬和镍的合理搭配，铁一铬一镍三元系和该三元系基础上加入其他元素所构成的合金可以在室温下维持奥氏体不锈钢基体。但大部分常用铬镍奥氏体不锈钢自高温奥氏体状态骤冷到室温所获得的奥氏体基体都是亚稳定的。当继续冷却到室温以下温度，或者在经过冷变形时，其中一部分或大部分奥氏体会变成马氏体组织，即发生马氏体转变。在３０４型不锈钢（属于１８Ｃｒ一ＳｉＮ型不锈钢，具体成分见表１中，马氏体形成量随冷变形量加大而增多，奥氏体不锈钢中马氏体的生成对其力学性能和冷成形性产生重要影响，同时也增强钢的磁性。由于马氏体硬而脆，随着钢中马氏体量的增加，其强度提高，塑性降低。在冷加工过程中，这种现象会增大产品开裂的可能性。

表１３０４奥氏体不锈钢的化学成分，ｗｔ％]4[

Ｃ

（ｍａｘ）Ｓｉ

（ｍａｘ）

Ｍｎ

（ｍａｘ）

Ｐ

（ｍａｘ）

Ｓ

（ｍａｘ）

Ｎｉ

（ｍａｘ）

Ｃｒ

（ｍａｘ）

０．０８１．００２．０００．０４００．０３０８．０

０～１８．００～

１０．５０２０．００２加工硬化

２．１加工硬化曲线

金属材料的加工硬化曲线是形变过程中宏观应力与应变关系的表征。由于晶界的存在，多晶体的加工硬化曲线与单晶体不同。

２．１．１单晶体的加工硬化曲线

单晶体的加工硬化曲线通常出现三个阶段。但是，由于晶体结构类型、晶体取向、杂质含量以及形变条件的不同，各阶段的长短不同，甚至某一阶段不出现。Ａ．面心立方晶体

面心立方晶体的加工硬化曲线明显呈现三个阶段，如图２。

Ⅰ．易滑移阶段：晶体中只有一组滑移系启动，在平行滑移面上位错移动很少受到其他位错干扰，可移动相当大的距离，并可能达到晶体表面，增殖出新位错，产生较大的应变。在这一阶段，位错滑移、增殖遇到的阻力很小，加工硬化率很低。

Ⅱ．线形硬化阶段：随着次滑移和多滑移系启动，加工硬化进入线形硬化阶段。由于相交滑移系上位错的交互使用，形成割阶、Ｌｏｍｅｒ－Ｃｏｔｔｒｅｎ位错等障碍，位错密度迅速增加，形成塞积群或缠结，位错不能越过这些障碍而被限制在一定围，形成位错胞状组织。随着形变量增加，胞的尺寸不断减小，流变应力显著提高，加工硬化率很大。

图２单晶体的切应力一切应变曲线

Ⅲ．抛物线硬化阶段：流变应力增大到一定程度以后，滑移面上的位错借交滑移而绕过障碍，避免与发生交互作用。同时，异号螺位错还通过交滑移彼此抵消，从而使一部分硬化作用减弱，加工硬化率降低。

Ｂ．体心立方晶体]5[

在一定纯度、温度、取向和应变速率条件下，体心立方晶体才产生有明显三阶段的加工硬化曲线。

室温和低温形变时，体心立方晶体的位错结构和面心立方晶体相似。在体心立方晶体的加工硬化曲线上常有明显的屈服点存在，这与位错和微量间隙杂质原子交互作用有关。只有在纯度相当高的情况下，屈服才会消除。在低温时，滑移形变越来越困难，孪生形变占有重要地位，相应的在加工硬化曲线上出现锯齿状。

由于体心立方晶体自身的结构特点，在低温时位错运动克服较大的派纳力：高温时易克服这一阻力，因而屈服强度较低。另外，间隙杂质原子对屈服应力产生显著影响。

Ｃ．密排六方晶体]6[

密排六方晶体和面心立方晶体的密排方式非常接近，塑性形变使堆垛顺序改变，形成堆垛层错。虽然在一定的取向、温度和其他实验条件下，密徘六方晶体的加工硬化曲线也有三个阶段，但并不典型。它的第工阶段通常很长，远远超过某些面心立方晶体和体心立方晶体，以至于第Ⅱ阶段还没来得及充分发展就已经断裂。

２．１．２晶体的加工硬化曲线