奥氏体不锈钢塑性变形行为及冲压成型性研究★

李 阳，张 威，李 娟，郭淑茜

（1.太原钢铁（集团）有限公司先进不锈钢材料国家重点实验室，山西 太原 030003；2.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西 太原 030003；3.太原科技大学，山西 太原 030024）

奥氏体不锈钢既是用于装饰美化的结构材料，又具有耐腐蚀功能，在食品工业、餐饮服务业、医疗行业和家电厨具等领域具有十分广阔的应用前景。奥氏体不锈钢只有具有优异的塑性行为及冲压成型性能才能生产出高性能、高精度的产品，因此，基于该材料在这些工程和应用上的需求，对奥氏体不锈钢塑性变形行为及冲压成型性进行研究更具有实际意义和应用价值。

板材塑性行为及深加工性能指标主要有屈服强度、断后延伸率和应变硬化指数。其中，屈服强度越小，断后延伸率越高，应变硬化指数越大，越有利于塑性变形和拉伸成形[1-4]。吴俊良[5]研究了高锰钢和普通不锈钢的塑性变形行为，发现不锈钢主要塑性变形机制为位错滑移，而高锰钢则在高应变下以孪生变形机制为主。刘伟[6]研究发现，应变速率对奥氏体力学行为的影响主要源于应变诱发α'-马氏体的转变。诸多研究中，对奥氏体不锈钢的塑性变形行为及冲压成型研究很少。因此，本文以奥氏体不锈钢为研究对象，通过单向拉伸试验，分析其力学性能，研究塑性变形机制，同时通过杯突试验探索了奥氏体不锈钢的拉伸系数，为成形工艺的拟定提供了依据。

1 试验过程

太钢工业试制的304L 奥氏体不锈钢的化学成分如表1 所示。

表1 奥氏体不锈钢化学成分 %

为了研究304L 奥氏体不锈钢的塑性变形行为，从工业试制后的钢板上取拉伸试样，其尺寸如图1 所示。拉伸实验的移动速率为1 mm/min。测量结果为3次拉伸后数据的平均值。采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析观察微观组织和断口形貌。采用X 射线衍射仪对拉伸前后的样品进行分析。测试时最大额定功率为3 kW，测试使用Cu 靶的Kα 辐射。扫描范围为40°～100°，步长为0.02°/s。

图1 常温拉伸试样示意图（mm）

杯突实验按照GB/T 4156—2007 标准，将实验制成3 片100 mm×100 mm 的试样。在试样板面一侧画初始直径2 mm 的应变分析网格圆，以便得到成型极限图。后将试样在GBC-60W 型号的杯突实验机上进行成形实验。实验温度23 ℃±2 ℃，相对湿度50%±5%。之后采用网格应变分析法测量极限应变，并绘制成形极限图。

2 结果与讨论

2.1 塑性变形行为

下页图2 所示为试制304L 奥氏体不锈钢的拉伸测试曲线。实验钢断后伸长率高达86.31%，具有较强的塑性；相应的屈服强度为408.59 MPa，抗拉强度值为593.7 MPa，其值均高于GB/T 3280 标准的力学性能要求（屈服强度≥185 MPa、抗拉强度≥485 MPa、断后伸长率≥40%）。这是由于试制钢内细小的晶粒呈均匀等轴状，导致细晶强韧化，抵抗塑性变形的能力增加。

下页图2-2 为304L 奥氏体不锈钢的真应力应变曲线，图中的实线部分为均匀塑性变形段。根据Hollomon 公式σt=Kεtn（其中，σt为真应力；εt为真应变），可求得加工硬化曲线，对数据进行线性拟合计算，如图2-3 所示。最后，求得虚线的斜率和截距，即应变硬化系数K 为160.77 MPa，应变硬化指数n 为0.45。

图2 304L 不锈钢

拉伸前后的XRD 衍射谱如图3 所示。由图3 可见，304L 不锈钢中均含有奥氏体的特征衍射峰。拉伸试验后，奥氏体衍射峰γ（111）、γ（220）略微下降，而马氏体衍射峰α（110）、α（200）和α（211）明显增加。在拉伸过程中，马氏体含量升高，主要转变机制为奥氏体γ 转变为马氏体α。

图3 304L 不锈钢拉伸前后的XRD 衍射谱

拉伸后的试样断口无明显颈缩，试样断面平整、规则，如图4 所示，宏观拉伸断口形貌呈杯锥状。在断口中心局部区域，均匀分布了很多的浅显小韧窝，且韧窝壁光滑，为韧性断裂模式（见图4-3）。断口边部含有大量河流状撕裂棱，但其内部还有少量韧窝，综合表现为脆性断裂及韧性断裂的混合断裂模式。

图4 试制不锈钢拉伸断口的SEM 照片

2.2 冲压成型性

由于304L 奥氏体不锈钢板材需满足特定环境要求，制成复杂多样的形状，因此，试样受力状态不是单向拉伸，而是呈现平面双向和空间三向应力状态[7]。在复杂应力状态下，采用成型极限图（FLD），即成型极限曲线，来描述材料应力成形，它直观、全面、简洁地判断和评定了金属板材的成型性，反映了材料的极限变形能力。通常平均塑性应变比r¯值越大越有利于抵抗材料在冲压成型过程中厚度方向上的减薄，防止在冲压过程中在厚度方向出现断裂，实验测得r¯值为0.977，接近1，表示板材在厚度方向异性较小。应变硬化指数n 值在宏观上表现为材料在变形区域内应变分布的均匀性，其值越大，代表材料变形能力越强，局部破裂的可能性越小，板材表面质量越好。测量结果n 值为0.32，符合0.2～0.5 常规范围。如图5 所示为杯突实验后的试样形貌和成型极限图。

图5 实验钢的成型极限图

实验测得杯突值（IE）为12.78 mm。图5-1 中箭头处所指试样凸起的下部部位出现圆弧型裂纹，属于正常开裂。图5-2 所示为实验钢的成型极限图，它定性和定量地研究了材料局部成形性能。由图5 可知，纵坐标为主应变，其值均为正值，表明试样处于拉伸状态；横坐标为次应变，其值由负逐渐转为正，说明试样由单向拉伸状态逐渐变为双向拉伸状态。

3 结论

1）试验钢的屈服强度和抗拉强度值分别为408.59 MPa 和593.7 MPa，断后伸长率高达86.31%，具有较强的塑性。通过拟合计算得到应变硬化系数K 和应变硬化指数n，分别为160.77 MPa 和0.45。拉伸后的试样为脆性断裂及韧性断裂的混合断裂模式。拉伸过程中，塑性变形的主要转变机制为γ→α。

2）通过冲压成型试验，获得304L 奥氏体不锈钢的平均塑性应变比r¯为0.977，应变硬化指数n 值为0.32，杯突值（IE）为12.78 mm。