海洋石油平台用E40钢板的高温变形行为

2013-08-16狄国标刘美艳麻庆申司良英刘振宇

机械工程材料 2013年1期

狄国标，刘美艳，麻庆申，司良英，刘振宇

（1.首钢技术研究院，北京100041；2.首钢迁钢公司，唐山064404；3.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳110004）

0 引言

随着石油价格的不断上涨，世界各国高度重视海洋石油资源的开采。鉴于我国当前能源战略储备的迫切需要，研发拥有自主知识产权的高强度、高韧性海洋石油平台用厚钢板，具有重要的现实意义。海洋石油平台用钢对低温韧性、抗层状撕裂性能以及内部缺陷要求很高。上海浦钢通过控制轧制及正火工艺开发了DH36海洋石油平台用钢［1］；马钢采用微铌合金化设计生产出了EH36级海洋石油平台用H型钢［2］；舞钢开发了屈服强度为420MPa的铜镍铌钛可焊接海洋石油平台用钢［3］。E40钢是一先进的钢种，较E36钢的强度级别更高，有利于保证海洋石油平台的安全。为了提高海洋石油平台的性能要求，必须克服海洋石油平台用钢冲击性能、屈服强度、Z向和焊接性能等技术指标之间的冲突，而这需要了解该钢在高温轧制过程中奥氏体的变形行为，进而通过细化晶粒来满足海洋石油平台用钢对各项力学性能的要求。为此，作者对高强度、高韧性海洋石油平台用E40钢进行了热模拟高温压缩试验，研究了变形加热温度对晶粒长大的影响，以及不同变形条件对再结晶行为的影响，为进一步优化热轧工艺参数提供了理论依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料E40钢为自制，用200kg真空冶炼炉熔炼浇铸，锻造成截面为100mm×100mm的坯料，化学成分如表1所示；然后加工出φ8mm×15mm的圆柱试样，在 MMS－200型热模拟试验机上进行压缩试验。

表1 试验用钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of tested steel（mass）%

先以20℃·s－1加热速率分别加热至1 050～1 250℃，保温3min后立即淬火，分析不同加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响。

在前面试验的基础上，选择理想的变形加热温度，保温时间定为3min，然后以10℃·s－1的速率进行冷却，然后在850～1 100℃进行压缩变形，应变速率为0.1s－1，真应变为0.7；另在变形温度为1 050℃、真应变分别为0.1～0.6的条件下进行压缩变形，变形后均立刻淬火。

将淬火后的试样沿轴向剖开、打磨、抛光后，再用加有少量表面活性剂的饱和苦味酸水溶液热煮到试样表面呈灰黑色，然后轻抛，用Leica DMIRM型图像仪观察奥氏体组织，并用割线法测量奥氏体晶粒的尺寸。

2 试验结果与讨论

2.1 加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响

由图1可以看出，试验钢奥氏体晶粒尺寸随着加热温度的升高而增大，当加热温度低于1 200℃时，奥氏体晶粒尺寸增大不明显，其尺寸不超过50μm；当加热超过1 200℃后，晶粒快速长大，在1 250℃时达到320μm。

图1 加热温度对试验钢奥氏体晶粒尺寸的影响Fig.1 Effect of heating temperature on austenite grain size of tested steel

钢在加热时的组织变化有两个过程：碳（氢）化物的固溶和奥氏体晶粒的长大。奥氏体晶粒的大小与碳化物颗粒的固溶程度有关，在加热时碳化物质点能阻止奥氏体晶界移动，妨碍奥氏体晶粒长大与合并。随加热温度的升高，碳化物溶解，其钉扎晶界的能力降低，奥氏体晶粒迅速长大。当碳化物质点全部固溶到奥氏体之后，奥氏体颗粒开始急剧长大。钒的碳化物在1 050～1 100℃完全固溶，铌的碳化物在1 150～1 200℃完全固溶。为了充分发挥氮化钛抑制奥氏体晶粒长大的作用，并保证铌、钒碳氮化物的固溶，确定加热温度为1 200℃。

2.2 动态再结晶行为

对于以恒应变速率进行的热变形而言，峰值应力的出现表明发生了动态再结晶。随着变形温度升高，峰值应变（εp）和峰值应力（σp）逐渐变小，如图2所示，这表明温度越高越易发生动态再结晶。这主要是由于温度的升高降低了金属原子间的结合力，使临界切应力降低，原子扩散和位错进行交滑移及攀移的驱动力增大，因而再结晶易于发生［4－6］。

图2 试验钢在应变速率0.1s－1压缩时的真应力－真应变曲线Fig.2 True stree－true strain curves of tested steel compressived at strain rate of 0.1s－1

2.3 不同真应变下的显微组织

由图3可见，在真应变为0.1时，未发生动态再结晶；随着真应变增加到0.2，可以看到在三晶界接触部位，产生了少量动态再结晶晶粒，这是由于能量相对较高的晶界通过不断弓起，提供了大量的动态再结晶晶核，从而导致动态再结晶发生；当真应变为0.2～0.3时，软化率曲线达到峰值，真应变达到临界应变值；真应变继续增加到0.3，动态再结晶形核速率迅速增加，发生动态再结晶的体积分数超过15%；随着真应变进一步的增加，动态再结晶不断进行，再结晶体积分数不断增加；当真应变达到稳态应变时（ε＝0.6），动态再结晶基本完成，动态再结晶的体积分数超过为80%。可见，随着真应变的增大，奥氏体再结晶进行的程度逐渐增大，动态再结晶晶粒为准等轴形，且不均匀分布。

2.4 不同变形温度下的显微组织

由图4可见，当真应变为0.7、变形温度为850℃时，晶界出现了少量铁素体，这是由于在变形过程中发生了应变诱导铁素体相变，真应力－真应变曲线应力下降较多引起的，而不是动态再结晶导致的。变形温度为900℃时，奥氏体晶粒尺寸呈扁平状，少量奥氏体发生再结晶，真应力－真应变曲线无下降趋势。当变形温度为950℃时，再结晶晶粒比例增加，奥氏体晶粒呈等轴状，尺寸明显细化，真应力－真应变曲线出现明显的下降，这说明试验钢动态再结晶温度介于900℃和950℃之间。变形温度为1 050℃时的奥氏体晶粒与950℃时的相差不大（图略）。当变形温度升至1 100℃时，变形后晶粒明显细化，这与高温下奥氏体容易充分发生动态再结晶有关。

在压缩过程中，往往容易在高温段（1 000℃以上）和低温段（850℃）均出现应力下降，在高温段的应力下降是由于动态再结晶的软化作用；低温段的降低则是由于应变诱导相变，高变形量和低变形速率促使原奥氏体晶界发生铁素体转变，晶粒细小并呈等轴状，虽然晶粒被压扁，但没有动态再结晶发生。文献［7］认为钢板在应变速率为0.1时的形变诱导相变温度为850℃左右。因此在工业生产中应该根据需要充分利用动态再结晶细化奥氏体晶粒，并通过形变诱导相变进一步细化铁素体晶粒，最终实现细晶强化和细晶韧化，满足海洋石油平台用钢对高强度和高韧性的要求。