X100管線鋼的高溫變形力學(xué)行為

齊 亮，趙征志，趙愛民

（1.北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京，100083；2.江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西贛州，341000）

X100管線鋼的高溫變形力學(xué)行為

齊 亮1，2，趙征志1，趙愛民1

（1.北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京，100083；2.江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西贛州，341000）

采用Gleeble－3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對X100管線鋼進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn)，研究其變形抗力與應(yīng)變量、應(yīng)變速率和變形溫度的關(guān)系，利用回歸分析確立合適的變形抗力數(shù)學(xué)模型，并將模型預(yù)測值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，變形溫度對X100管線鋼變形抗力影響顯著；高溫低應(yīng)變速率更有利于X100管線鋼回復(fù)和再結(jié)晶的發(fā)生；應(yīng)變速率過高會引起非穩(wěn)態(tài)變形，不利于X100管線鋼軋制過程的控制；利用回歸分析確定的變形抗力模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測X100管線鋼的變形抗力，相關(guān)系數(shù)為0.986。

變形抗力；管線鋼；變形溫度；應(yīng)變速率

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，石油和天然氣的消耗量越來越大，但大部分油氣田都遠(yuǎn)離消費(fèi)市場終端，并且地理環(huán)境惡劣，這對油氣的輸送提出了更高的要求。采用高級別鋼作為輸送用管線鋼，可降低管身自重，增強(qiáng)管身耐壓強(qiáng)度，提高油氣的輸送效率，降低建設(shè)成本。目前，用于油氣輸送的管線鋼強(qiáng)度級別從X60、X80逐步升級到X100和X120，這對采用典型TMCP工藝生產(chǎn)X100管線鋼的軋機(jī)能力提出更高的要求。

管線鋼中微合金元素Cr、Mo可以提高鋼的淬透性，Nb、Ti能夠細(xì)化晶粒并且低溫時以碳氮化物形式析出，抑制或延遲再結(jié)晶發(fā)生［1－2］，增加材料軋制時的變形抗力，而變形抗力變化對板形、厚度等生產(chǎn)要素的控制有著重要的意義［3－5］。國內(nèi)外針對高鋼級微合金管線鋼的高溫變形力學(xué)行為模型的報(bào)道較少，Sun等［6］研究了X80管線鋼的變形抗力，而X100管線鋼的高溫變形力學(xué)行為模型還未見報(bào)道。為此，本文對X100管線鋼進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn)，分析應(yīng)變量、應(yīng)變速率、變形溫度等因素對其高溫力學(xué)性能的影響，確立合適的數(shù)學(xué)模型，以期為高鋼級管線鋼的研制提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼為國內(nèi)某廠試制的X100連鑄坯，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of the tested steel

將連鑄坯加工成Φ10 mm×15 mm的圓柱試樣，在Gleebe－3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn)。試樣以1 0℃／s的升溫速率加熱到1 200℃，保溫180 s，再以3℃／s的冷卻速率分別冷卻至1 100、1 000、950、900、870、830、800℃后保溫30 s以減小試樣內(nèi)外的溫度梯度，然后進(jìn)行壓縮變形。應(yīng)變速率ε·分別為0.1、1、10、30 s－1，變形結(jié)束后以15℃／s的速率冷卻至室溫。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用ORIGIN軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 變形溫度對變形抗力的影響

圖1所示為應(yīng)變量為0.4時試樣的變形抗力隨變形溫度的變化情況。由圖1中可知，相同的應(yīng)變速率下，變形抗力隨變形溫度的升高而減小，呈線性關(guān)系。這一方面是由于隨著變形溫度的升高，分子熱運(yùn)動能力增強(qiáng)，會促進(jìn)位錯的滑移和攀移，開動更多的滑移系或其他塑性變形機(jī)制，使正負(fù)位錯互相抵消，同類位錯互相合并，減小由于位錯運(yùn)動而形成的位錯堆積；另一方面，溫度升高提高了激活能，并且Nb、Ti大部分固溶于基體中，對位錯和晶界的釘扎阻力減小，有利于試樣中形變奧氏體發(fā)生動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，消除加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)材料的軟化。

熱變形過程中，達(dá)到動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，應(yīng)力峰值降低。溫度越高，試樣的臨界變形量越小，越有利于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。X100管線鋼中S含量較低，在此溫度區(qū)間進(jìn)行熱加工不會發(fā)生熱脆現(xiàn)象，可提高材料塑性?？梢姡琗100管線鋼控制軋制過程中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下在高溫區(qū)應(yīng)盡可能采用大變形量的加工方法，通過再結(jié)晶來細(xì)化奧氏體晶粒。

圖1 ε＝0.4時變形抗力與變形溫度的關(guān)系Fig.1 Relationship between deformation temperature and deformation resistance（ε＝0.4）

2.2 應(yīng)變量對變形抗力的影響

圖2所示為應(yīng)變速率為0.1 s－1和30 s－1時，試樣變形抗力隨應(yīng)變量的變化情況。由圖2（a）中可知，應(yīng)變速率為0.1 s－1、變形溫度為1 100℃時，試樣應(yīng)變量增加到0.2左右時變形抗力達(dá)到峰值，隨著變形程度繼續(xù)增大，變形抗力略有下降后保持平緩，表明在1 100℃下應(yīng)變量達(dá)到0.2時發(fā)生了動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，抵消了變形過程中由于位錯密度增大而產(chǎn)生的加工硬化，應(yīng)變量繼續(xù)增大，加工硬化與動態(tài)再結(jié)晶軟化達(dá)到平衡，應(yīng)力－應(yīng)變曲線變得平緩；當(dāng)變形溫度降至1 000℃時，應(yīng)變量達(dá)0.2以后曲線表現(xiàn)為平緩上升，無應(yīng)力峰值出現(xiàn)，表明相同變形條件下，由于溫度的降低導(dǎo)致動態(tài)回復(fù)，試樣中幾乎無再結(jié)晶發(fā)生，加熱引起的應(yīng)力松弛無法抵消加工硬化［7］；當(dāng)變形溫度進(jìn)一步降低時，變形抗力隨著應(yīng)變量的增加均呈現(xiàn)出單一加工硬化狀態(tài)。由圖2（b）中可見，當(dāng)應(yīng)變速率為30 s－1時，試樣變形抗力隨著應(yīng)變量的增加表現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，變形剛開始時起伏較大，當(dāng)應(yīng)變量大于0.1以后才趨于穩(wěn)定，此時變形抗力隨著應(yīng)變量的增大速率（強(qiáng)化強(qiáng)度，也即圖2（b）中曲線的斜率）減小，這是由于應(yīng)變速率快，試樣中瞬時產(chǎn)生的位錯密度急劇增多，來不及發(fā)生完全回復(fù)和再結(jié)晶；隨著應(yīng)變量的增加，應(yīng)變畸變能的提高為回復(fù)和再結(jié)晶提供了驅(qū)動力，使試樣發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，在應(yīng)力－應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為峰值下降，此時加工硬化與動態(tài)再結(jié)晶軟化達(dá)到平衡。這樣的過程有時會持續(xù)幾次，但隨著應(yīng)變量的增大，試樣變形抗力趨向平穩(wěn)上升。

圖2 變形抗力與應(yīng)變量的關(guān)系Fig.2 Relationship between deformation resistance and true strain

2.3 應(yīng)變速率對變形抗力的影響

應(yīng)變速率對變形抗力的影響主要取決于在塑性變形過程中因變形而引起金屬內(nèi)部位錯密度增加的速率和位錯消失與合并而引起的動態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶的速率這兩種軟化機(jī)制交互作用的結(jié)果。圖3所示為應(yīng)變量為0.4時不同應(yīng)變速率下試樣的變形抗力。由圖3中可見，在不同的變形溫度下，試樣變形抗力均表現(xiàn)出隨應(yīng)變速率增大而增加這一規(guī)律。這是因?yàn)閼?yīng)變速率的增大使試樣中位錯產(chǎn)生和移動的速度加快，容易形成位錯堆積而使試樣的變形抗力增大［8］；從塑性變形過程中硬化和軟化這一對矛盾過程來說，隨著應(yīng)變速率的增大，由于沒有足夠的時間來完成塑性變形，試樣中位錯滑移和攀移的數(shù)量少，不能有效地進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶，因而會加劇加工硬化，使金屬的變形抗力增大；隨著應(yīng)變速率的增大，試樣中部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，會?dǎo)致溫度升高而有利于奧氏體的動態(tài)回復(fù)過程發(fā)生，降低試樣的變形抗力。但總體上變形抗力隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)上升趨勢，位錯的增殖占主導(dǎo)地位。當(dāng)應(yīng)變速率較小時，應(yīng)變量的增大引起的變形抗力增大明顯，隨著應(yīng)變速率的增大，變形抗力隨應(yīng)變量的變化變得較為平緩。

圖3 應(yīng)變速率與變形抗力的關(guān)系Fig.3 Relationship between strain rate and deformation resistance

2.4 變形抗力模型的確立

變形抗力對設(shè)備的安全運(yùn)行和合理制定加工工藝有著重要的意義，國內(nèi)外學(xué)者對變形抗力模型也有不同的觀點(diǎn)，并建立了不同的數(shù)學(xué)模型［9－12］。本文以應(yīng)變速率、應(yīng)變量和變形溫度為主要影響因素，綜合考慮其對變形抗力的影響，采用文獻(xiàn)［12］中的模型進(jìn)行計(jì)算：

式中：σ為平均變形抗力，MPa；σ0為基準(zhǔn)變形抗力（1 000℃下應(yīng)變量為0.4時的應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)值為208 MPa）；ε為真應(yīng)變；ε·為應(yīng)變速率，s－1；T為變形溫度，K；a1～a6為與材料有關(guān)的系數(shù)。

利用Matlab軟件對350組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出X100管線鋼單道次壓縮變形抗力模型中各參數(shù)的最佳估計(jì)值如下：a1＝－1.949，a2＝3.651，a3＝0.247，a4＝－0.224，a5＝0.233，a6＝0.041，擬合度為0.986。

由此可得X100管線鋼在800～1 100℃溫度區(qū)間的變形抗力數(shù)學(xué)模型為

根據(jù)回歸理論對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)可知，回歸效果顯著。

通過軟件計(jì)算可知該模型的殘差平方和（SSE）為10.3。回歸預(yù)報(bào)精度為σ±SSE×t3440.05，對于α＝0.05，t3440.05＝1.644 9，計(jì)算可得變形抗力95%在σ±16.9 MPa之間，可見模型精度符合要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此變形抗力模型的準(zhǔn)確性，將變形溫度為950℃、應(yīng)變速率為1 s－1和變形溫度為1 000℃、應(yīng)變速率為0.1 s－1以及變形溫度為950℃、應(yīng)變速率為10 s－1三種情形下的實(shí)驗(yàn)值和模型計(jì)算值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4中可見，變形溫度為950℃、應(yīng)變速率為1 s－1時，實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值之間最大相差12 MPa；變形溫度為1 000℃、應(yīng)變速率為0.1 s－1時，實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值之間最大相差10 MPa；變形溫度為1 000℃，應(yīng)變速率為10 s－1時，實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值之間最大相差14 MPa。變形速率過高對模型預(yù)測的準(zhǔn)確性有一定影響，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制應(yīng)變速率，減小其引起的變形抗力波動。

圖4 變形抗力實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值的比較Fig.4 Comparison between experimental values and calculated values

3 結(jié)論

（1）相同應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，X100管線鋼的變形抗力呈線性下降的趨勢。

（2）變形溫度為1 100℃、應(yīng)變速率為0.1 s－1的情況下，應(yīng)變量大于0.2時，X100管線鋼中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶；變形溫度降至1 000℃以下，隨著應(yīng)變量的增加，X100管線鋼中呈現(xiàn)出單一的加工硬化狀態(tài)，無動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生。

（3）X100管線鋼在低的應(yīng)變速率下，位錯增殖慢，變形抗力小；應(yīng)變速率為1 s－1時，其加工硬化率較高；在30 s－1的高應(yīng)變速率下其變形抗力出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。

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High temperature deformation behavior of X100 pipeline steel

Qi Liang1，2，Zhao Zhengzhi1，Zhao Aimin1
（1.Research Institute of Metallurgical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.School of Material Science and Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

The high－temperature deformation resistance of X100 pipeline steel was studied by Gleeble－3500 thermal mechanics simulation test machine，and regression analysis was used to establish the mathematical model of the deformation resistance，whose prediction was compared with the experimental data.The results show that deformation temperature has a significant influence on the deformation resistance，and high temperature and low strain rate are conducive to the occurrence of recovery and recrystallization of the pipeline steel.High strain rate causes unsteady deformation，which is not good for the control of the steel rolling.The deformation resistance model obtained by regression analysis can accurately predict the deformation resistance of X100 pipeline steel with the correlation coefficient at 0.986.

deformation resistance；pipeline steel；deformation temperature；strain rate

TG 335.11

A

1674－3644（2012）03－0178－04

［責(zé)任編輯 鄭淑芳］

2011－11－02

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2006BAE03A06）.

齊 亮（1980－），男，北京科技大學(xué)博士生.E－mail：ql0455＠163.com

趙愛民（1962－），男，北京科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E－mail：aimin.zhao＠m(xù)ater.ustb.edu.cn