高強(qiáng)韌460 MPa級(jí)船板鋼的高溫變形行為研究

顧大慶，麻 衡，李 艷，王中學(xué)，鄒穩(wěn)蓬

（1 山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南271105；2 萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司，山東 濟(jì)南271105；3 蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東 煙臺(tái)265607）

1 前 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，船舶及海洋工業(yè)邁向國際市場、參與國際競爭的進(jìn)程進(jìn)一步深入，造船及海洋平臺(tái)行業(yè)對(duì)船板鋼的用量和性能要求不斷提高，迫切需要具有高強(qiáng)度、高精度、優(yōu)良可焊接性和適應(yīng)惡劣環(huán)境的高品質(zhì)鋼，高強(qiáng)韌460 MPa級(jí)船板鋼應(yīng)運(yùn)而生［1］。萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司聯(lián)合北京科技大學(xué)在其冶金工程研究院的Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上研究了高強(qiáng)韌460 MPa級(jí)船板鋼的高溫變形行為，研究了其高溫?zé)嶙冃螜C(jī)理，為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。試樣為實(shí)驗(yàn)室冶煉高強(qiáng)韌460 MPa級(jí)船板鋼鋼坯，加工成熱模擬實(shí)驗(yàn)所需的試樣尺寸為Φ8 mm×15 mm。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 所示為本次實(shí)驗(yàn)具體的工藝。將試樣以10 ℃/s 的速度加熱到 1 200 ℃，均質(zhì)化 180 s，隨后以5 ℃/s 的冷速冷卻至820～1 150 ℃，最后進(jìn)行單道次壓縮。具體的應(yīng)變參數(shù)見表2。

圖1 單道次壓縮實(shí)驗(yàn)工藝示意圖

表2 單道次壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 變形溫度對(duì)變形抗力的影響

圖2為三種不同的變形速率下，實(shí)驗(yàn)鋼在不同溫度的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖2可見，不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀相似，均為動(dòng)態(tài)回復(fù)型。

在三種應(yīng)變速率下，變形抗力隨著變形溫度的升高而減?。?-3］。由于溫度的升高，原子的活躍程度增加，此時(shí)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)加劇。同時(shí)溫度升高也會(huì)為位錯(cuò)提供掙脫Cottrell氣團(tuán)釘扎作用的能量，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力減小，更易發(fā)生位錯(cuò)重排和湮滅［4-5］，因此金屬的變形抗力隨溫度的升高而降低。如圖2c 所示，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.4 時(shí)，變形抗力從950 ℃時(shí)的187 MPa減小到1 100 ℃的137 MPa。

由圖2 可知，在其他條件相同的前提下，變形抗力隨應(yīng)變量的升高而降低。當(dāng)應(yīng)變量小于0.2時(shí)，變形抗力增加的速率較快，而當(dāng)變形量進(jìn)一步增加時(shí)，曲線趨于緩和，變形抗力增加的速率降低。這主要是由于隨變形程度的進(jìn)一步增加，位錯(cuò)密度等結(jié)構(gòu)缺陷增多，儲(chǔ)存能增加，從而促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶進(jìn)一步導(dǎo)致軟化。

圖2 變形溫度對(duì)試驗(yàn)鋼變形抗力的影響

3.2 應(yīng)變速率對(duì)變形抗力的影響

圖3 分別為4 種不同溫度時(shí)，應(yīng)變速率分別為0.1、1和10 s-1時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。如圖3 a所示，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度和應(yīng)變速率呈正相關(guān)。應(yīng)變速率為10 s-1的曲線在應(yīng)變量＜0.2 時(shí)，變形抗力相較于其余兩種變形速率增加較為明顯。當(dāng)變形量超過0.2時(shí)，隨變形程度的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線變得更加緩和，說明此時(shí)加工硬化的作用減弱。當(dāng)應(yīng)變速率增加時(shí)，基體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度增加，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)的溫度區(qū)間變大，曲線的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征消失。如圖3c所示，在高溫區(qū)，當(dāng)變形程度提高時(shí)，變形抗力的提升變得更加平緩。這是由于位錯(cuò)相抵消和重排產(chǎn)生了軟化作用，與加工硬化的作用相互抵消導(dǎo)致的。在相同的變形溫度下，當(dāng)應(yīng)變值一定時(shí)，變形速率越高，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值越大。同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)力峰值向應(yīng)變增大的方向移動(dòng)。

圖3 變形速率對(duì)試驗(yàn)鋼變形抗力的影響

從上述結(jié)果可以得出結(jié)論，應(yīng)變速率是變形抗力更重要的影響因素。在其他條件相同時(shí)，隨著變形速率的增加，變形抗力升高是必然的結(jié)果，這是由于當(dāng)應(yīng)變速率較大時(shí)，動(dòng)態(tài)軟化發(fā)生的時(shí)間不夠充足，加工硬化占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著變形速率的增加，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的啟動(dòng)也會(huì)隨著再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力的增加而變得困難。

在同樣的變形溫度下，變形速率的增加，將會(huì)使得變形抗力變大。其主要原因是由于在大的變形速率下，變形時(shí)間縮短，位錯(cuò)快速增殖，并且在晶界附近塞積，進(jìn)而使得變形抗力增大。而從變形過程中的軟化方面來說，隨著變形速率的增大，位錯(cuò)沒有足夠的時(shí)間去運(yùn)動(dòng)，使得基體的回復(fù)和再結(jié)晶發(fā)生延遲。所以，基體的加工硬化會(huì)更加明顯，變形抗力會(huì)顯著變大。此外，變形速率的增大，也會(huì)使摩擦系數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)變形抗力產(chǎn)生影響。最后，由于在壓縮過程中，基體內(nèi)部會(huì)隨著變形程度的增大而產(chǎn)生形變熱，而變形速率的增大，將會(huì)使基體內(nèi)部的形變熱更加明顯，這種在塑性變形過程中形變能轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象稱之為熱效應(yīng)。這種熱效應(yīng)的存在也會(huì)影響變形抗力。而在壓縮過程中存在的摩擦和形變熱，在必要的時(shí)候，均可以通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行修正。

隨著應(yīng)變速率的增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更加難以發(fā)生。因?yàn)榇藭r(shí)的加工硬化作用更加顯著。與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)軟化作用也由于再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力的增加而變大。二者達(dá)到平衡時(shí)，峰值的應(yīng)變和應(yīng)力都將增大。

3.3 變形后淬火實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示為實(shí)驗(yàn)鋼在不同溫度，經(jīng)過不同變形后的電鏡掃描照片。當(dāng)變形量為0.5 時(shí)，奧氏體晶粒較為粗大，且在低溫（900 ℃）下能看到由于變形而形成的餅形晶粒。這是由于變形量較小，從奧氏體晶粒反映出的變形就更加微小的緣故。當(dāng)增大變形量時(shí)，組織被“拉長”的現(xiàn)象更加明顯。在變形量達(dá)0.8 時(shí)，基體中的某些部位出現(xiàn)了奧氏體再結(jié)晶晶粒，同時(shí)能夠觀察到變形帶，如圖4 d 所示。但是由于并沒有大范圍出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒和變形帶，因此無法對(duì)流變應(yīng)力造成較大影響，應(yīng)力應(yīng)變曲線仍屬于動(dòng)態(tài)回復(fù)型。

4 結(jié) 論

4.1 在其他參數(shù)相同的條件下，當(dāng)變形溫度升高時(shí)，硬化率逐漸降低，變形抗力逐步減?。?/p>

4.2 當(dāng)應(yīng)變量＞0.2 時(shí)，金屬變形抗力隨著變形程度的增加而變得平緩；當(dāng)應(yīng)變量＜0.2 時(shí)，加工硬化現(xiàn)象隨著變形程度的增加將更加明顯；

4.3 在變形溫度和變形程度相同的條件下，變形抗力和應(yīng)變速率呈正相關(guān)。

圖4 在經(jīng)歷相同應(yīng)變速率變形后的組織微觀形貌