Q345D鋼的熱變形抗力研究

李海陽 紀登鵬 周曉航 張 梅

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

Q345D鋼是一種低合金高強度工程結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的塑性、韌性、耐低溫性能、加工工藝性能和焊接性能等，被廣泛應(yīng)用于石油、車輛、船舶、建筑和壓力容器等領(lǐng)域[1- 4]。在Q345D鋼的塑性加工過程中，其變形抗力是確定塑性加工參數(shù)的重要基礎(chǔ)，也是Q345D鋼的主要力學(xué)性能指標。因此，建立Q345D鋼的變形抗力模型可為Q345D鋼塑性加工控制過程提供理論基礎(chǔ)，從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本研究利用Gleeble- 3500熱- 力模擬試驗機，對Q345D鋼進行高溫單道次壓縮試驗，分析Q345D鋼塑性加工的變形參數(shù)即變形溫度、變形速率和變形程度對Q345D鋼變形抗力的影響，建立Q345D鋼的塑性變形抗力模型。

1 試驗材料及方法

試驗材料取自尺寸600 mm×600 mm的Q345D鋼樣坯，加工成φ10 mm×15 mm的圓柱體試樣，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the samples (mass fraction) %

采用Gleeble- 3500熱模擬試驗機進行單道次壓縮試驗。采取抽真空保護試樣，以免試樣在高溫下氧化。試樣以10 ℃/s的速度加熱到1 250 ℃，保溫5 min，以保證奧氏體均勻化，然后以5 ℃/s的速度冷卻到變形溫度，保溫60 s后進行壓縮試驗。變形結(jié)束后立即水淬。變形量為50.34%，即應(yīng)變量為0.7；變形溫度：1 200、1 150、1 100、1 050、1 000、950、900、850、800、750 ℃；變形速率：0.01、0.1、1、10 s-1。單道次壓縮試驗工藝見圖1。

圖1 單道次壓縮試驗工藝圖Fig.1 Schematic illustration of single pass compression test

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線

圖2(a)為Q345D鋼在應(yīng)變速率為0.1 s- 1、不同變形溫度下的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線，圖2(b)為Q345D鋼在1 000 ℃變形溫度、不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，在一定的應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，變形抗力逐漸減小，真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線由加工硬化型向動態(tài)再結(jié)晶型轉(zhuǎn)變；在一定變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的升高，變形抗力逐漸增大，真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線由動態(tài)再結(jié)晶型向加工硬化型轉(zhuǎn)變。由Q345D鋼的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線可知，降低變形溫度和提高應(yīng)變速率，均可增大試驗鋼的變形抗力，且只有在較低的變形速率和較高的變形溫度下，Q345D鋼才易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

圖2 Q345D鋼的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線Fig.2 True stress- true strain curves for Q345D steel

2.2 變形溫度對變形抗力的影響

圖3所示為Q345D鋼在一定變形程度(ε=0.3、0.6)、不同變形速率下，變形抗力與變形溫度之間的關(guān)系。從圖3可以看出，在相同變形速率下，lnσ隨著變形溫度的升高呈直線降低的趨勢，即lnσ=aT+b。因此，變形抗力σ隨變形溫度T的升高呈指數(shù)降低關(guān)系，變形溫度T對變形抗力σ的影響系數(shù)KT可用式(1)表示：

(1)

式中：σ為變形抗力，MPa；σ0為基準變形抗力，MPa；

圖3 Q345D鋼在不同應(yīng)變量和應(yīng)變速率下變形抗力和變形溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between deformation resistance and temperature of 345D steel under different strain rates and deformation degrees

T為變形溫度，℃；A、B為與材料相關(guān)的系數(shù)。

2.3 變形速率對變形抗力的影響

(2)

圖4 Q345D鋼在不同應(yīng)變量和變形溫度下變形抗力和應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.4 Relationship between deformation resistance and strain rate of Q345D steel under different temperatures and deformation degrees

2.4 變形程度對變形抗力的影響

變形程度對變形抗力的影響即應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。由圖2(a)可得：在低應(yīng)變速率、高變形溫度，即發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶條件下，變形抗力首先隨著變形程度的增加而快速增大，出現(xiàn)峰值后，變形程度繼續(xù)增加，變形抗力則逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；而在高應(yīng)變速率、低變形溫度，即發(fā)生動態(tài)硬化條件下，變形抗力則隨著變形程度的增加而不斷增大；變形抗力的增加速率與變形程度的大小成反比。由此可見，變形程度對變形抗力的影響較復(fù)雜，變形程度ε對變形抗力σ的影響系數(shù)可用式(3)表示[5]：

(3)

式中：σ0為應(yīng)變量為ε0時的基準變形抗力，MPa；ε、ε0分別為應(yīng)變量和基準應(yīng)變量；D、E為與材料相關(guān)的系數(shù)。

3 變形抗力模型的建立與分析

3.1 變形抗力模型

對于具體鋼種而言，變形抗力主要受變形溫度、變形速率和變形程度的影響。因此，變形抗力可以表示成關(guān)于溫度、變形程度和變形速率的函數(shù)。目前有多種變形抗力模型[6- 10]，其中周紀華、管克智提出的變形抗力模型[6- 7]公式(4)，綜合考慮了變形溫度、變形速率和變形程度對變形抗力的影響，具有廣泛的適用性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

(4)

根據(jù)以上Q345D鋼的變形條件對變形抗力的影響分析，可以看出變形條件對變形抗力的影響與周紀華等的模型相符。因此采用模型公式(4)對Q345D鋼的變形抗力進行擬合比較合理。根據(jù)最小二乘法計算方法，采用Origin軟件對試驗所得的40條真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)進行非線性綜合回歸，得相關(guān)系數(shù)a1～a6，如表2所示。

表2 回歸系數(shù)Table 2 Regression coefficients

將回歸系數(shù)代入模型(4)中，可得Q345D鋼的變形抗力擬合式(5)：

(5)

3.2 回歸曲線與實測曲線的比較

跟據(jù)式(5)獲得不同工藝參數(shù)(變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度)下變形抗力的擬合值，將其與壓縮試驗所得的變形抗力值進行對比，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，利用變形抗力模型式(5)計算獲得的擬合值與實測值之間的偏差較小。

圖5 變形抗力的試驗值與擬合值比較Fig.5 Comparison of the fitted and the experimented deformation resistances

為更好地說明模型的擬合程度，將真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線的模擬值與實測值進行比較，如圖6所示。從圖6中也可以看出，模型計算值與實測值吻合較好。

由于實驗設(shè)備以及試樣尺寸等因素的影響，使得試驗數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)存在一定誤差。因此，擬合曲線和試驗數(shù)據(jù)會有一定誤差。如在變形溫度為750和950 ℃、應(yīng)變速率為0.1 s-1時，誤差較大，但最大誤差值不超過25 MPa；其余曲線也有誤差，但誤差值較小。

4 結(jié)論

(1)以試驗得到的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線為基礎(chǔ)，分析了變形溫度、變形速率和變形程度對Q345D鋼變形抗力的影響。在應(yīng)變速率和變形程度一定時，變形抗力隨著變形溫度的升高而減??；在變形溫度和變形程度一定時，變形抗力隨著應(yīng)變速率的增加而增大；而在變形溫度和應(yīng)變速率一定時，變形程度對變形抗力的影響較為復(fù)雜。在高變形溫度和低應(yīng)變速率下， 變形抗力隨著變形程度的增加而增大，但達到峰值后由于發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，變形抗力開始下降，并達到相對穩(wěn)定狀態(tài)；在低變形溫度和高應(yīng)變速率下，變形抗力則隨著變形程度的增加不斷增大。

圖6 不同應(yīng)變速率下真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線的回歸計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較Fig.6 Comparison of the experimental data and regression calculation value of flow stresses at different stain rates

(2)綜合考慮了變形溫度、變形速率以及變形程度對變形抗力的影響，并利用周- 管數(shù)學(xué)模型，對試驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸，得出Q345D鋼的變形抗力數(shù)學(xué)模型，將擬合數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進行對比，得出該模型的擬合度較好，可投入實際應(yīng)用。

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