浙江宏盛特钢有限公司通过高温热力学模拟实验，研究了大型核电主管道用316LN不锈钢在应变速率0.01s-1，温度1200℃～1150℃、1100℃～1050℃、1000℃～950℃双道次变形条件下的高温变形行为，得到了该钢种在多道次变形条件下的流动应力曲线。通过对热模拟试样高温淬火后显微组织的研究分析，得到了多道次变形条件下的动态再结晶规律和组织控制规律。

  由于体积庞大，大型锻件在实际生产锻造过程中不可能一次成形，需要通过多火次，并且每一火次需要两个以上道次的变形，才能使锻件达到要求的几何形状。同一个火次中，由于热传递的作用，使工件存在温度的变化，即每个道次的变形温度是不一样的。锻造工艺直接影响到再结晶后的晶粒度及其均匀程度，并对后续工艺及产品的最终性能产生重要的影响。核电主管道用316LN不锈钢在锻造的过程中塑性差、变形抗力大，因此在工厂的实际锻造过程中，采取的工艺为小压下量多道次变形。该钢种无法通过热处理细化晶粒，而最终产品的晶粒度要求较高。针对AP1000主管道的制造，研究其在多道次变形条件下的动态再结晶行为，掌握其晶粒细化规律，且尽量避免“混晶”，对提高最终产品的性能有重要意义。

一、热模拟实验方案

   实验用钢取自电渣重熔钢锭，其主要化学成分质量分数如表所示。考虑到316LN不锈钢变形抗力比较大，试样加工为Φ６ｍｍ×10ｍｍ的圆柱。试样在实验之前需用丙酮清洗油渍。实验设备为热模拟实验机。实验采用平面压缩法，试样两端贴上石墨片以减少鼓肚等变形不均匀现象；

   试样与热电偶连接处涂抹抗氧化剂以防止热电偶脱落。实验工艺流程为，先将试样以５℃/ｓ的速度加热至道次一温度，保温５分钟后变形；变形结束后再以10℃／s的速度将温度调整至道次二的温度，保温５分钟后变形，如图所示。试样总的真实应变为ε＝0.７（变形程度为50％），最后水冷淬火以保留试样高温变形下的显微组织。

二、实验数据处理和分析

1. 316LN不锈钢高温流动应力曲线

    316LN不锈钢双道次变形条件下，即应变速率0.01s－1，总应变0.７，温度1200℃～1150℃、1100℃～1050℃、1000℃～950℃的真应力－应变曲线如图所示。图为316LN不锈钢单道次变形条件下，即应变速率为0.01s－1，真应变为0.7，温度为900℃～1200℃的流动应力曲线。

   由图可知，随着温度的降低，道次二的流动应力明显增大，流动应力曲线出现明显的分界点。这与图所得出的结论相符。由实验的工艺过程可知，在道次二变形之前，有一段5分钟的保温时间，该时间内的静态回复、静态再结晶以及亚动态再结晶为钢的主要软化机制。
金属热变形时，除发生动态再结晶外，还会形成亚晶组织，处于热力学不稳定状态，需要释放内能。若热变形程度不大，在变形停顿期间，会发生静态回复；若变形程度较大，并且温度仍处于再结晶温度以上时，将发生静态再结晶，但这一过程比较缓慢，需要有一定的孕育期，在孕育期内会发生静态回复；若中断变形时，动态再结晶已经开始但尚未完成，遗留下来的组织将继续发生无孕育期的亚动态再结晶。道次一的变形温度和变形程度对道次二的流动应力有直接的影响。道次一温度较低且变形程度很小时，钢的加工硬化现象比较严重，动态回复以及保温时间内的静态回复无法消除由于位错的运动受阻产生的加工硬化，这样道次一产生的加工硬化就会遗留到道次二，从而使得道次二的流动应力大于同样温度、同样变形速率的单道次变形条件下的流动应力。如T1＝1000℃，T2＝950℃双道次变形，道次１应变0.10时，道次二峰值流动应力为171.45ＭPa；而单道次下温度T＝950℃时，峰值流动应力为167.2ＭPa。当道次一温度较高时，原子的热振动和扩散速度加快，位错的活动开始活跃，滑移、攀移、交滑移和位错结点脱锚比较容易，变形过程中的动态回复和保温过程中的静态回复程度增加，使滑移面上的位错由水平塞积逐渐变为垂直排列，形成位错壁，把晶体分割成近似多边形的小晶块，形成亚结构。较高温度下的亚结构有较大晶胞尺寸以及在亚晶粒边界中位错有较长的链长，位错容易移动。由于较高温度下的亚结构被带到较低温度下的变形中，从而使得道次二的流动应力小于同样温度、变形速率下的单道次变形条件下的流动应力。如温度T1＝1100℃，T2＝1050℃双道次变形，道次一应变0.10时，道次二峰值流动应力为97.3ＭPa，而单道次下温度T＝1050℃时，峰值流动应力为105.7ＭPa；温度T1＝1200℃，T2＝1150℃双道次变形，道次一应变0.10时，道次二峰值流动应力为57.3ＭPa，而单道次下温度T＝1150℃时，峰值流动应力为63.1ＭPa；当道次一应变0.35时，钢在塑性变形的过程中发生部分再结晶，加工硬化很大程度上被抵消，流动应力依然取决于高温遗传下来的亚结构（尽管其亚结构不均匀）。如图所示，各变形温度下，当道次一应变0.35时，道次二的流动应力较单道次条件下的流动应力要低一些。道次一除对道次二的流动应力有影响，同时对道次二发生动态再结晶的临界应变也有影响。由于道次一变形程度不大，钢在变形过程中仅发生动态回复或部分动态再结晶，包括保温过程中的软化机制均不能抵消变形所产生的位错，因此位错引起的应变能会遗留到道次二，从而有助于促进其动态再结晶的提早发生。如表所示，在双道次条件下道次二的临界应变比相同温度单道次条件下的临界应变要小。低温时这种现象更为明显，如道次二温度为950℃时，临界应变由0.20减少到0.08。这是因为低温时原子活动不剧烈，塑性变形过程中的各种软化机制的程度较低，从而遗留到道次二的位错应变能较多。相同温度下，道次一的变形量越小，这种现象越明显。这是因为大的变形量会发生动态再结晶，使位错引起的应变能得到一定程度的消耗。

2. 淬火后显微组织

   将淬火后的试样沿轴向1/2切开，经制样抛光腐蚀后观察组织，并采用截线法测量晶粒平均尺寸。温度为1000℃～950℃时，316LN不锈钢在塑性变形过程中主要发生部分动态再结晶，未发生再结晶部分为扁平拉长的粗大晶粒，已发生动态再结晶部分的晶粒很细小，用截线法测量出的晶粒平均尺寸误差很大，因此表只给出了1200℃～1150℃和1100℃～1050℃温度条件下淬火后的晶粒尺寸。表为316LN不锈钢完全动态再结晶后单道次变形条件下（应变速率为0.01s－1，真应变0.7）的晶粒尺寸。如图所示。这是因为温度越低，位错的活动能力越低，其杂乱分布的位错很难集中或按规律排列，而动态回复的程度较低，有利于动态再结晶的发生；另外，温度较低时，再结晶完成后，晶粒长大的速度变慢。变形量越大，发生动态再结晶的程度越大，晶粒也就越细。

三、结论

   本文研究了大型核电主管道用316LN不锈钢在多道次变形条件下的高温变形行为，通过对流动应力曲线以及热模拟试样高温淬火后显微组织的研究分析，得到以下结论：

   1. 初始道次温度较低且变形程度很小时，后续道次的流动应力将大于同样温度、变形速率下的单道次变形条件下的流动应力；初始道次温度较高或者变形程度较大时，后续道次的流动应力将小于同样温度、变形速率下的单道次变形条件下的流动应力。

  2. 初始道次没有发生完全动态再结晶时，有助于促进后续道次动态再结晶的提早发生，且初始道次温度越低、变形量越小，这种现象越明显。

  3. 最后一道次温度越低，变形量越大，最终晶粒尺寸越小；最后一道次变形量过小容易产生混晶现象。

  4. 初始道次在未发生完全动态再结晶时，后续道次发生完全动态再结晶后的晶粒尺寸，要大于同样温度、变形速率单道次变形条件下完全动态再结晶后的晶粒尺寸。

  5. 在316LN不锈钢的锻造过程中，应保证在1100℃～1000℃温度区间内有尽可能大的压下量，在1200℃～1100℃温度区间内要根据实际锻造尺寸要求调整压下量，在1000℃～950℃温度区间内应采用小压下量整形。最后一火的锻造温度应控制在1100℃～1000℃为最佳。