X100管线钢的高温变形力学行为

齐 亮，赵征志，赵爱民

（1.北京科技大学冶金工程研究院，北京，100083；2.江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州，341000）

X100管线钢的高温变形力学行为

齐 亮1，2，赵征志1，赵爱民1

（1.北京科技大学冶金工程研究院，北京，100083；2.江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州，341000）

采用Gleeble－3500热模拟试验机对X100管线钢进行单道次压缩试验，研究其变形抗力与应变量、应变速率和变形温度的关系，利用回归分析确立合适的变形抗力数学模型，并将模型预测值与试验值进行比较。结果表明，变形温度对X100管线钢变形抗力影响显著；高温低应变速率更有利于X100管线钢回复和再结晶的发生；应变速率过高会引起非稳态变形，不利于X100管线钢轧制过程的控制；利用回归分析确定的变形抗力模型能够准确预测X100管线钢的变形抗力，相关系数为0.986。

变形抗力；管线钢；变形温度；应变速率

随着经济的增长，石油和天然气的消耗量越来越大，但大部分油气田都远离消费市场终端，并且地理环境恶劣，这对油气的输送提出了更高的要求。采用高级别钢作为输送用管线钢，可降低管身自重，增强管身耐压强度，提高油气的输送效率，降低建设成本。目前，用于油气输送的管线钢强度级别从X60、X80逐步升级到X100和X120，这对采用典型TMCP工艺生产X100管线钢的轧机能力提出更高的要求。

管线钢中微合金元素Cr、Mo可以提高钢的淬透性，Nb、Ti能够细化晶粒并且低温时以碳氮化物形式析出，抑制或延迟再结晶发生［1－2］，增加材料轧制时的变形抗力，而变形抗力变化对板形、厚度等生产要素的控制有着重要的意义［3－5］。国内外针对高钢级微合金管线钢的高温变形力学行为模型的报道较少，Sun等［6］研究了X80管线钢的变形抗力，而X100管线钢的高温变形力学行为模型还未见报道。为此，本文对X100管线钢进行单道次压缩试验，分析应变量、应变速率、变形温度等因素对其高温力学性能的影响，确立合适的数学模型，以期为高钢级管线钢的研制提供理论依据。

1 试验材料与方法

试验钢为国内某厂试制的X100连铸坯，其化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of the tested steel

将连铸坯加工成Φ10 mm×15 mm的圆柱试样，在Gleebe－3500热模拟试验机上进行单道次压缩试验。试样以1 0℃／s的升温速率加热到1 200℃，保温180 s，再以3℃／s的冷却速率分别冷却至1 100、1 000、950、900、870、830、800℃后保温30 s以减小试样内外的温度梯度，然后进行压缩变形。应变速率ε·分别为0.1、1、10、30 s－1，变形结束后以15℃／s的速率冷却至室温。试验数据用ORIGIN软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 变形温度对变形抗力的影响

图1所示为应变量为0.4时试样的变形抗力随变形温度的变化情况。由图1中可知，相同的应变速率下，变形抗力随变形温度的升高而减小，呈线性关系。这一方面是由于随着变形温度的升高，分子热运动能力增强，会促进位错的滑移和攀移，开动更多的滑移系或其他塑性变形机制，使正负位错互相抵消，同类位错互相合并，减小由于位错运动而形成的位错堆积；另一方面，温度升高提高了激活能，并且Nb、Ti大部分固溶于基体中，对位错和晶界的钉扎阻力减小，有利于试样中形变奥氏体发生动态回复和再结晶，消除加工硬化产生的内应力，实现材料的软化。

热变形过程中，达到动态再结晶的临界变形量时材料发生动态再结晶，应力峰值降低。温度越高，试样的临界变形量越小，越有利于发生动态再结晶。X100管线钢中S含量较低，在此温度区间进行热加工不会发生热脆现象，可提高材料塑性。可见，X100管线钢控制轧制过程中，在保证产品质量的前提下在高温区应尽可能采用大变形量的加工方法，通过再结晶来细化奥氏体晶粒。

图1 ε＝0.4时变形抗力与变形温度的关系Fig.1 Relationship between deformation temperature and deformation resistance（ε＝0.4）

2.2 应变量对变形抗力的影响

图2所示为应变速率为0.1 s－1和30 s－1时，试样变形抗力随应变量的变化情况。由图2（a）中可知，应变速率为0.1 s－1、变形温度为1 100℃时，试样应变量增加到0.2左右时变形抗力达到峰值，随着变形程度继续增大，变形抗力略有下降后保持平缓，表明在1 100℃下应变量达到0.2时发生了动态回复和再结晶，抵消了变形过程中由于位错密度增大而产生的加工硬化，应变量继续增大，加工硬化与动态再结晶软化达到平衡，应力－应变曲线变得平缓；当变形温度降至1 000℃时，应变量达0.2以后曲线表现为平缓上升，无应力峰值出现，表明相同变形条件下，由于温度的降低导致动态回复，试样中几乎无再结晶发生，加热引起的应力松弛无法抵消加工硬化［7］；当变形温度进一步降低时，变形抗力随着应变量的增加均呈现出单一加工硬化状态。由图2（b）中可见，当应变速率为30 s－1时，试样变形抗力随着应变量的增加表现出不稳定状态，变形刚开始时起伏较大，当应变量大于0.1以后才趋于稳定，此时变形抗力随着应变量的增大速率（强化强度，也即图2（b）中曲线的斜率）减小，这是由于应变速率快，试样中瞬时产生的位错密度急剧增多，来不及发生完全回复和再结晶；随着应变量的增加，应变畸变能的提高为回复和再结晶提供了驱动力，使试样发生动态再结晶，在应力－应变曲线上表现为峰值下降，此时加工硬化与动态再结晶软化达到平衡。这样的过程有时会持续几次，但随着应变量的增大，试样变形抗力趋向平稳上升。

图2 变形抗力与应变量的关系Fig.2 Relationship between deformation resistance and true strain

2.3 应变速率对变形抗力的影响

应变速率对变形抗力的影响主要取决于在塑性变形过程中因变形而引起金属内部位错密度增加的速率和位错消失与合并而引起的动态回复、再结晶的速率这两种软化机制交互作用的结果。图3所示为应变量为0.4时不同应变速率下试样的变形抗力。由图3中可见，在不同的变形温度下，试样变形抗力均表现出随应变速率增大而增加这一规律。这是因为应变速率的增大使试样中位错产生和移动的速度加快，容易形成位错堆积而使试样的变形抗力增大［8］；从塑性变形过程中硬化和软化这一对矛盾过程来说，随着应变速率的增大，由于没有足够的时间来完成塑性变形，试样中位错滑移和攀移的数量少，不能有效地进行回复和再结晶，因而会加剧加工硬化，使金属的变形抗力增大；随着应变速率的增大，试样中部分机械能转变为热能，会导致温度升高而有利于奥氏体的动态回复过程发生，降低试样的变形抗力。但总体上变形抗力随着应变速率的增加呈现上升趋势，位错的增殖占主导地位。当应变速率较小时，应变量的增大引起的变形抗力增大明显，随着应变速率的增大，变形抗力随应变量的变化变得较为平缓。

图3 应变速率与变形抗力的关系Fig.3 Relationship between strain rate and deformation resistance

2.4 变形抗力模型的确立

变形抗力对设备的安全运行和合理制定加工工艺有着重要的意义，国内外学者对变形抗力模型也有不同的观点，并建立了不同的数学模型［9－12］。本文以应变速率、应变量和变形温度为主要影响因素，综合考虑其对变形抗力的影响，采用文献［12］中的模型进行计算：

式中：σ为平均变形抗力，MPa；σ0为基准变形抗力（1 000℃下应变量为0.4时的应力，实验值为208 MPa）；ε为真应变；ε·为应变速率，s－1；T为变形温度，K；a1～a6为与材料有关的系数。

利用Matlab软件对350组试验数据进行回归分析，得出X100管线钢单道次压缩变形抗力模型中各参数的最佳估计值如下：a1＝－1.949，a2＝3.651，a3＝0.247，a4＝－0.224，a5＝0.233，a6＝0.041，拟合度为0.986。

由此可得X100管线钢在800～1 100℃温度区间的变形抗力数学模型为

根据回归理论对相关系数进行校验可知，回归效果显著。

通过软件计算可知该模型的残差平方和（SSE）为10.3。回归预报精度为σ±SSE×t3440.05，对于α＝0.05，t3440.05＝1.644 9，计算可得变形抗力95%在σ±16.9 MPa之间，可见模型精度符合要求。

为了进一步验证此变形抗力模型的准确性，将变形温度为950℃、应变速率为1 s－1和变形温度为1 000℃、应变速率为0.1 s－1以及变形温度为950℃、应变速率为10 s－1三种情形下的实验值和模型计算值进行对比分析，结果如图4所示。

由图4中可见，变形温度为950℃、应变速率为1 s－1时，实验值与模型计算值之间最大相差12 MPa；变形温度为1 000℃、应变速率为0.1 s－1时，实验值与模型计算值之间最大相差10 MPa；变形温度为1 000℃，应变速率为10 s－1时，实验值与模型计算值之间最大相差14 MPa。变形速率过高对模型预测的准确性有一定影响，因此在实际生产中应严格控制应变速率，减小其引起的变形抗力波动。

图4 变形抗力实验值与模型计算值的比较Fig.4 Comparison between experimental values and calculated values

3 结论

（1）相同应变速率下，随着变形温度的升高，X100管线钢的变形抗力呈线性下降的趋势。

（2）变形温度为1 100℃、应变速率为0.1 s－1的情况下，应变量大于0.2时，X100管线钢中发生了动态再结晶；变形温度降至1 000℃以下，随着应变量的增加，X100管线钢中呈现出单一的加工硬化状态，无动态再结晶发生。

（3）X100管线钢在低的应变速率下，位错增殖慢，变形抗力小；应变速率为1 s－1时，其加工硬化率较高；在30 s－1的高应变速率下其变形抗力出现不稳定情况。

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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

［责任编辑 郑淑芳］

2011－11－02

“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAE03A06）.

齐 亮（1980－），男，北京科技大学博士生.E－mail：ql0455＠163.com

赵爱民（1962－），男，北京科技大学教授，博士生导师.E－mail：aimin.zhao＠mater.ustb.edu.cn