不锈钢热加工过程有限元分析及组织性能演变规律

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随着我国不锈钢行业的不断发展,不锈钢在日常生活、工业生产等领域的应用越来越广泛,不断完善其生产制备技术是对科研人员提出的基本要求,保证并提升其性能是科研人员追求的终极目标。本文以316H奥氏体不锈钢和2101双相不锈钢为研究对象,采用单道次压缩热模拟实验和循环浸泡腐蚀实验分别研究了 316H奥氏体不锈钢的高温热变形行为和不同初始状态下的耐晶间腐蚀行为,利用ANSYS有限元软件分析了 316H奥氏体不锈钢厚板坯和2101双相不锈钢厚板坯在加热过程中瞬时温度和应力的分布情况随工艺参数的变化规律,借助LS-DYNA有限元软件分析了 2101双相不锈钢厚板坯在轧制过程中两相承担应变的差异,以期为316H奥氏体不锈钢和2101双相不锈钢的工业生产和性能提升提供理论基础和参考依据。本文主要工作内容及创新点如下:(1)通过单道次压缩热模拟实验研究了 316H奥氏体不锈钢在不同变形条件下的流变行为及组织演变规律。结果表明,由于C含量的升高,316H的变形抗力高于相同条件下的316L的变形抗力;基于流变应力曲线,采用耦合应变的Arrhenius方程建立了变形抗力模型,它能较好地预测热变形过程中的流变行为;通过结合微观组织演变规律可知,316H的主要软化机制为动态再结晶(DRX),再结晶形核主要依赖非连续型动态再结晶产生“项链”状组织,随变形温度升高、变形速率降低,再结晶程度升高。(2)通过固溶处理实验、敏化处理实验和循环浸泡腐蚀实验研究固溶处理时长对316H奥氏体不锈钢晶粒尺寸、贫铬区、晶界处析出物及耐晶间腐蚀性能的影响。结果表明,固溶处理时间越长,晶粒尺寸越大,敏化处理后晶界处M23C6、M6C等碳化铬析出物分布更加弥散、数量更少,循环浸泡腐蚀实验后失重率也相对较低,耐晶间腐蚀性能越高。固溶处理时长对晶界特征分布影响不大,其主要影响晶粒尺寸,而晶粒尺寸越大,晶界数量越少,析出物形核、富集区域少;同时,碳原子扩散到晶界附近越慢,晶界处碳化铬析出物越少,贫铬程度越轻,从而导致耐晶间腐蚀性能有所提升。(3)基于ANSYS有限元方法分析316H奥氏体不锈钢和双相不锈钢厚板坯再加热过程中瞬态温度和应力分布情况,并分析其随工艺参数的变化规律。316H再加热过程中,综合考虑提高加热效率和减少热裂纹风险两方面因素,总加热时长可以适当减少。综合考虑奥氏体和铁素体两相的高温强度、塑性状态及应变分布等因素,2101双相不锈钢加热时相界裂纹多源于相界,向铁素体相区扩展。(4)基于ANSYS/LS-DYNA有限元方法分析2101双相不锈钢轧制过程,由于两相材料常数、高温强度的不同,奥氏体相区变形量明显小于铁素体相区,在相界面处应变发生突然上升或下降的变化,而明显的应变梯度会诱发裂纹在界面萌生。当轧制温度从1150℃降低到950℃温度变低,两相应变比差距变大,更易产生裂纹。
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