High strain rate superplasticity in the fine-grained duplex stainless steel Fe-22Cr-5Ni-3Mo-0.3N

摘要

The fine-grained duplex stainless steel Fe-22Cr-5Ni-3Mo-0.3N consisting of α- and γ-Fe(Cr,Ni,Mo) solid solutions exhibits structural superplasticity at deformation temperatures of 900 to 1050℃. The equiaxed microstructure with an average grain size of d_(α,γ)≈ 3 μm was produced by thermomechanical processing. This steel shows also superior superplastic properties at high strain rates up to ε ≈ 5·10~(-2) s~(-1). Maximum strain rate exponents of m ≈ 0.5 and elongations to failure of more than 800% were achieved. The superplastic deformability (m > 0.3) of this steel in a wide strain rate range enables near net shape deep drawing or blow forming of parts with complex shape applying low flow stresses.A deformation model is presented to describe the superplastic behaviour at high strain rates. Grain and interphase boundary sliding is accommodated by sequential steps of dislocation glide and climb. The maximum m -value of about 0.5 and an activation energy of 260 kJ/mol, which is comparable to that of self diffusion of iron in γ-Fe (270 kJ/mol), and high dislocation densities indicate that dislocation climb in the slightly solid solution hardened γ-Fe phase (solid solution class II type of material) is the rate controlling step for superplastic flow.%Der feinkristalline nichtrostende Duplexstahl Fe-22Cr-5Ni-3Mo-0,3N weist strukturelle Superplastizität bei Verformungstemperaturen von 900 bis 1050℃ auf. Die äquiaxiale MikroStruktur mit einer mittleren Korngröße der Ferrit- und Austenitphase von d_(α,γ) ≈ 3 μm wurde durch ein gezieltes thermo- mechanisches Verfahren eingestellt. Dieser Stahl zeigt ausgezeichnete superplastische Eigenschaften bis zu hohen Dehngeschwindigkeiten von ca. ε = 5·10~(-2) s~(-1). Maximale Dehngeschwindigkeitsexponenten von m ≈ 0.5 und superplastische Dehnungen von mehr als 800% wurden erzielt. Die superplastische Umformbarkeit (m > 0.3) in einem großen Dehngeschwindigkeitsintervall erlaubt das Tiefziehen oder Blasumformen von komplex geformten Bauteilen mit niedrigen Umformkräften, Das superplastische Fließen bei hohen Dehngeschwindigkeiten wird durch ein Verformungsmodell beschrieben. Korn- und Phasengren-zgleiten wird durch aufeinanderfolgende Teilschritte von Versetzungsgleiten und -klettern akkomodiert. Der maximale m-Wert von 0.5 und eine Aktivierungenergien von 260 kJ/mol, die vergleichbar mit der Aktivierungenergie für die Gitterselbstdiffusion von Eisen in γ-Fe ist (270 kJ/mol), sowie hohe Versetzungsdichten weisen auf Versetzungsklettern in der schwach mischkristallgehärteten γ-Phase (Mischkristallklasse II) als dehngeschwindigkeitskontrollierenden Akkomodationsmechanismus hin.