應(yīng)變率對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼拉伸性能的影響

張洪軍，姚 琳，李 寧

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

應(yīng)變率對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼拉伸性能的影響

張洪軍，姚 琳，李 寧

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)和旋轉(zhuǎn)盤沖擊拉伸裝置對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼進(jìn)行了不同應(yīng)變率的拉伸實(shí)驗(yàn)研究，獲得了05Cr17Ni4Cu4Nb鋼沿軋制方向和垂直于軋制方向在應(yīng)變率為10-2/s～103/s范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析了應(yīng)變率對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼屈服應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，05Cr17Ni4Cu4Nb鋼在兩個(gè)方向的彈性模量和拉伸強(qiáng)度幾乎相當(dāng)，但沿軋制方向的斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率較高，05Cr17Ni4Cu4Nb鋼沿軋制方向和垂直于軋制方向的屈服應(yīng)力均隨應(yīng)變率升高而增大，但變化趨勢(shì)不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合得到了05Cr17Ni4Cu4Nb鋼不同方向屈服應(yīng)力與應(yīng)變率變化關(guān)系的方程。

05Cr17Ni4Cu4Nb鋼； 應(yīng)變率； 屈服應(yīng)力； 拉伸性能

1 引 言

05Cr17Ni4Cu4Nb鋼是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，是在Cr17型不銹鋼基礎(chǔ)上，加入銅、鈮等強(qiáng)化元素研制而成的新型不銹鋼材料。該材料具有良好的強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性和可焊接性，特別是具有較好的抗氫氟酸腐蝕能力[1]，是我國(guó)300～1000MW 超臨界火電機(jī)組及核電機(jī)組汽輪機(jī)低壓末級(jí)動(dòng)葉片的主要用材之一，也被廣泛地應(yīng)用于反應(yīng)堆中重要的結(jié)構(gòu)件，如反應(yīng)堆中的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)上的絲杠。已有文獻(xiàn)對(duì)其氧化變色、殘余奧氏體的影響、焊接疲勞性能等進(jìn)行了深入研究。認(rèn)為05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼對(duì)真空時(shí)效氣氛比較敏感，氧化變色主要與材料的高鉻含量有關(guān)[2]，最終時(shí)效后奧氏體含量隨溫度的升高先增加后減少，部分逆變奧氏體隨著殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[3]；通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)證明，采用優(yōu)化的焊接、熱處理工藝，05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼焊接接頭的條件疲勞極限可以達(dá)到母材的90%以上[4-5]；焊接后的熱處理工藝對(duì)焊接接頭的組織和性能有較大影響，經(jīng)過重新固溶、時(shí)效處理，焊接接頭的強(qiáng)度和缺口沖擊韌性都比較高[6]；文獻(xiàn)[7]采用熱模擬機(jī)對(duì)該材料的高溫變形行為進(jìn)行了研究，認(rèn)為隨變形溫度的降低和應(yīng)變率的增加，其動(dòng)態(tài)重結(jié)晶晶粒尺寸變小，但其最高應(yīng)變率范圍僅為10/s。閆英杰等對(duì)不同溫度下的高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了拉伸斷裂試驗(yàn)，結(jié)果顯示在三個(gè)方向上的宏觀力學(xué)性能參數(shù)基本相同，但沿不同方向的拉伸斷口差異較大[8]。索濤等利用INSTRON試驗(yàn)機(jī)和分離式Hopkinson壓桿測(cè)試了某材料的兩種準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率(10-3，10-1/s)和一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變率(550/s)下的壓縮力學(xué)行為[9]。張俊平等通過拉伸試驗(yàn)對(duì)溫度及應(yīng)變速率對(duì)TWIP鋼拉伸性能的影響做了研究[10]。何著采用分離式Hopkinson壓桿對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼進(jìn)行不同應(yīng)變率的壓縮實(shí)驗(yàn)研究，分析該材料工程應(yīng)力應(yīng)變曲線與真應(yīng)力應(yīng)變曲線參數(shù)的差異性[11]。

由于這些重要部件在全壽命過程中，可能受到拉伸沖擊載荷，因此有必要對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb材料的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)行為進(jìn)行研究。本文利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)和旋轉(zhuǎn)盤沖擊拉伸裝置，在室溫條件下對(duì)該材料進(jìn)行了不同應(yīng)變率的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同應(yīng)變率下05Cr17Ni4Cu4Nb材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析了應(yīng)變率對(duì)其流動(dòng)應(yīng)力的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用由西安核設(shè)備有限公司提供的厚度為20mm的板材，化學(xué)成分見表1。該材料經(jīng)1030℃固溶熱處理1.5h后，經(jīng)615℃時(shí)效處理4h，處理后材料硬度(HRC)為35.0。分別沿軋制方向(橫向)和沿垂直于軋制方向(縱向)進(jìn)行取樣，按圖1尺寸加工為動(dòng)態(tài)拉伸和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣。

表1 05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學(xué)成分

圖1 試樣尺寸:(左)動(dòng)態(tài)拉伸試樣; (右)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣Fig.1 Specimen of dynamic tensile(left) and quais-static tensile(righ) experiment

圖2 旋轉(zhuǎn)盤沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Revolver impact tensile Hopkinson experiment set

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備

動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)采用導(dǎo)桿為直徑14mm的旋轉(zhuǎn)盤沖擊拉伸加載裝置，如圖2所示。應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)力可從波導(dǎo)桿上應(yīng)變片記錄的信號(hào)求得；準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)在MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在小變形階段采用引伸計(jì)測(cè)量變形，變形達(dá)到引伸計(jì)量程時(shí)，改用試驗(yàn)機(jī)橫量位移測(cè)量變形，最終的斷裂應(yīng)變?cè)趯?shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量試樣標(biāo)距的變化值進(jìn)行計(jì)算。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中，按式(1)～(3)計(jì)算出05Cr17Ni4Cu4Nb材料在動(dòng)態(tài)拉伸下的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)由試驗(yàn)機(jī)可直接獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線。最后按體積不變方法將工程應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

根據(jù)Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)的均勻性假設(shè)，05Cr17Ni4Cu4Nb材料的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：ls是試樣的長(zhǎng)度；As是試樣的橫截面積；A是波導(dǎo)桿的橫截面積；C0是波導(dǎo)桿的彈性縱波速度；E是波導(dǎo)桿的彈性模量；εi、εr和εt分別為從波導(dǎo)桿記錄到的入射脈沖、反射脈沖和透射脈沖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同應(yīng)變率對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼組織結(jié)構(gòu)的影響分析

圖3是拉伸實(shí)驗(yàn)后試樣的照片，從圖可以看出，靜態(tài)試樣為延性斷裂，有明顯的縮頸特征，而動(dòng)態(tài)拉伸試樣在應(yīng)變率較低時(shí)不會(huì)被拉斷，在應(yīng)變率較高時(shí)為延性拉斷，有明顯的縮頸現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖3 拉伸實(shí)驗(yàn)后的試樣照片F(xiàn)ig.3 Schematic representation of fracture features

為了進(jìn)一步分析應(yīng)變率對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼組織結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)拉伸斷裂試樣進(jìn)行了SEM觀察和金相組織分析，結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 拉伸試樣斷口SEM形貌Fig.4 schematic representation of fracture features

圖4是05Cr17Ni4Cu4Nb鋼橫向和縱向在室溫條件下靜態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)拉伸試樣斷口的SEM圖像。圖中A、B分別為橫向和縱向試樣靜態(tài)拉伸的SEM圖像，DA和DB分別為橫向和縱向試樣動(dòng)態(tài)拉伸的SEM圖像?？梢钥闯觯簾o論是橫向還是縱向，宏觀形貌呈纖維狀，粗糙不平，顏色灰暗無結(jié)晶顆粒、無金屬光澤；微觀形態(tài)呈蜂窩狀。由于材料中有第二相粒子的存在，拉伸過程中在應(yīng)力的作用下有微孔形成。微孔聚集則形成微裂紋，使得應(yīng)力集中加劇，進(jìn)一步加速了微孔的開裂與長(zhǎng)大以及微裂紋擴(kuò)展連接。裂紋的擴(kuò)展吸收了大量的塑性功，形成暗灰色的平坦斷口。這種多晶材料的斷裂是通過空洞核的形成、長(zhǎng)大和相互連接的過程進(jìn)行的，應(yīng)變率對(duì)斷口形貌無明顯影響。

圖5A為未拉伸試樣的原始組織，晶界比較清晰，上面分布著大量的白色析出物。晶粒內(nèi)部隱約可見典型的板條狀馬氏體組織特征形貌。不同的晶粒內(nèi)部，馬氏體板條的方向也不全相同。殘余奧氏體和碳化物在晶粒內(nèi)部則分別以條狀和彌散狀顆粒分布。圖5B和圖5C分別為05Cr17Ni4Cu4Nb鋼橫向和縱向試樣在靜態(tài)拉伸斷裂后的金相組織，沿橫向取樣的05Cr17Ni4Cu4Nb鋼在靜態(tài)拉伸時(shí)晶粒變形嚴(yán)重，晶粒沿拉伸方向被拉長(zhǎng)，晶界滑移明顯；而沿縱向取樣的05Cr17Ni4Cu4Nb鋼在靜態(tài)拉伸時(shí)，部分晶粒破裂，晶粒無明顯拉長(zhǎng)現(xiàn)象。但在高應(yīng)變率拉伸條件下，斷裂試樣的金相組織差別較大：沿橫向的試樣，在高應(yīng)變率拉伸條件下，其金相組織不僅被拉長(zhǎng)、沿晶界滑移，而且部分晶粒被拉斷，見圖5D；沿縱向的試樣，在高應(yīng)變率拉伸條件下，大部分晶粒被拉斷，沿晶界的滑移不明顯，其斷裂以沿晶粒斷裂和晶界破壞為主，見圖5E。

圖5 05Cr17Ni4Cu4Nb鋼拉伸前后的金相組織
Fig.5 Microstructure of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel under different strain rates and direction

室溫條件下05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的基本材料參數(shù)見表2，應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖6、圖7所示。

表2 05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的基本力學(xué)參數(shù)

圖6 橫向05Cr17Ni4Cu4Nb鋼不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain response of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel with the increase of strain rate (rolling direction)

圖7 縱向05Cr17Ni4Cu4Nb鋼不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain response of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel with the increase of strain rate (vertical rolling direction)

由表2可以看出，軋制方向?qū)?5Cr17Ni4Cu4Nb鋼的彈性模量和拉伸強(qiáng)度幾乎沒有影響，對(duì)斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率有一定的影響，沿軋制方向的斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率有所增加。應(yīng)變率對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼拉伸性能有顯著影響，無論是橫向還是縱向，隨應(yīng)變率增加，屈服應(yīng)力增加，但兩者變化趨勢(shì)存在差異，可能是橫向和縱向05Cr17Ni4Cu4Nb鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同所致。為了進(jìn)一步分析應(yīng)變率對(duì)材料屈服應(yīng)力的影響規(guī)律，從應(yīng)力應(yīng)變曲線上提取不同應(yīng)變率條件下的屈服應(yīng)力值進(jìn)行作圖，得到05Cr17Ni4Cu4Nb鋼橫向和縱向屈服應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率的關(guān)系，見圖8。顯然屈服應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率是非線性變化關(guān)系，根據(jù)曲線進(jìn)行擬合，可以得到不同方向上屈服應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率之間關(guān)系的方程(4)。利用方程(4)可以預(yù)測(cè)其它應(yīng)變率條件下05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的屈服應(yīng)力。

圖8 屈服應(yīng)力隨對(duì)數(shù)應(yīng)變率的變化關(guān)系曲線Fig.8 Yield stress of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel with the increase of logarithm strain rate

(4)

4 結(jié) 論

通過對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼板材不同方向準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸性能實(shí)驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

1.05Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼材料在橫向和縱向的彈性模量和拉伸強(qiáng)度基本一致，但橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率高于縱向。

2.應(yīng)變率對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料的拉伸性能有顯著影響，隨應(yīng)變率的增大，其屈服強(qiáng)度增加，動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度值明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)的值。

3.室溫條件下，05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的屈服強(qiáng)度隨對(duì)數(shù)應(yīng)變率的變化規(guī)律可以用指數(shù)函數(shù)的多項(xiàng)式形式進(jìn)行描述。

4.05Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼材料的斷裂是通過空洞核的形成、長(zhǎng)大和相互連接的過程進(jìn)行的，應(yīng)變率對(duì)斷口形貌無明顯影響。

5.應(yīng)變率對(duì)橫向和縱向05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料拉伸斷裂的金相組織影響不同，在低應(yīng)變率條件下，橫向試樣的斷裂模式主要是晶界滑移和晶粒拉伸為主，縱向試樣的斷裂模式以晶粒破壞為主；在高應(yīng)

變率條件下，橫向試樣的斷裂模式主要是晶界滑移和晶粒拉伸為主，伴隨部分晶粒斷裂，而縱向試樣的斷裂模式主要是晶界破壞和晶粒斷裂。

[1] 羅尊.05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化鋼的性能與應(yīng)用[J].航天工藝, 1985, 10(5):49～55.

[2] 王玉玲,王俊. 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼真空時(shí)效熱處理氧化變色原因分析[J].理化檢測(cè)-物理分冊(cè), 2014, 50(4):268～272.

[3] 徐清泉, 李興東, 趙龍飛,陳嘯,周新靈. 殘余奧氏體對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼逆變奧氏體含量的影響[J]. 理化檢測(cè)-物理分冊(cè), 2014, 50(11):793～795.

[4] 李振偉,馮琳杰,等. 05Cr17Ni4Cu4Nb鋼焊接接頭疲勞性能試驗(yàn)分析[J]. 熱力發(fā)電, 2013, 42(9):108～111.

[5] 劉福廣,李振偉,馮琳杰,等. 05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼焊接接頭的疲勞性能[J].焊管, 2013, 36(11):23～26.

[6] 劉福廣,李太江,王彩俠,李巍,姚兵印,唐立英. 焊后熱處理對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼焊接接頭組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2010, 35(11):65～69.

[7] Yanhong Xiao, Zhenshan Cui,Hongbin Yina,Cheng Guo. High temperature deformation behavior and constitutive modeling for 05Cr17Ni4Cu4Nb stainless steel[J]. Procedia Engineering, 2014, 81:1277～1282.

[8] 閆英杰,曹睿,杜挽生,彭云,田志凌,陳劍虹. 一種新型980MPa高強(qiáng)鋼在不同溫度下的拉伸斷裂試驗(yàn)[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 27(2):246～249.

[9] 索濤,李玉龍,劉元鏞. 溫度、應(yīng)變率對(duì)航空PMMA壓縮力學(xué)性能的影響研究[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 24(4):547～550.

[10] 張俊平,段先鋒,史子木,韓福生. 溫度及應(yīng)變速率對(duì)TWIP鋼拉伸性能的影響[J]. 機(jī)械工程材料, 2015, 5:4～9.

[11] 何著,趙壽根,楊嘉陵,程偉. 0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 25(3):418～421.

Effect of Strain Rate on Tensile Property of 05Cr17Ni4Cu4Nb Steel

ZHANG Hongjun， YAO Lin， LI Ning

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840, China)

Uniaxial Tension Experimental study for 05Cr17Ni4Cu4Nb steel at strain rates from 10-2to 103/s by the method of MTS810 testing machine and the rotation disc impact tensile device were performed. The tensile stress-strain curves of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel along rolling direction and vertical to the rolling direction at different strain rates were obtained. Then, the effect of strain rate on the yield stress of the 05Cr17Ni4Cu4Nb steel is analyzed. The elastic modulus and tensile strength are equivalent in both directions, but the fracture strength as well as elongation after fractured is higher along rolling direction than that of the vertical one. Yield stress of 05Cr17Ni4Cu4Nb is found to increase with increasing strain rate at both directions. Using polynomial model with exponential function of logarithm strain, the yield stress depending on strain rate at two directions are fitted, and good agreement with experimental observations is found.

05Cr17Ni4Cu4Nb steel； strain rate； yield stress； tensile property

1673-2812(2017)01-0047-05

2015-09-25；

2016-02-25

國(guó)家科技重大專項(xiàng) 資助項(xiàng)目(2011ZX06903-003)

張洪軍，高級(jí)工程師，主要從事核燃料運(yùn)輸容器相關(guān)研究。E-mail：zhanghj@cnpe.cc。

TG142.71

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.010