高强韧460 MPa级船板钢的高温变形行为研究

2021-11-11顾大庆王中学邹稳蓬

山东冶金 2021年5期

顾大庆，麻衡，李艳，王中学，邹稳蓬

（1 山东钢铁股份有限公司，山东济南271105；2 莱芜钢铁集团银山型钢有限公司，山东济南271105；3 蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司，山东烟台265607）

1 前言

随着中国经济的高速发展，船舶及海洋工业迈向国际市场、参与国际竞争的进程进一步深入，造船及海洋平台行业对船板钢的用量和性能要求不断提高，迫切需要具有高强度、高精度、优良可焊接性和适应恶劣环境的高品质钢，高强韧460 MPa级船板钢应运而生［1］。莱芜钢铁集团银山型钢有限公司联合北京科技大学在其冶金工程研究院的Gleeble-3500 热模拟试验机上研究了高强韧460 MPa级船板钢的高温变形行为，研究了其高温热变形机理，为工业化生产提供理论基础。

2 实验材料及实验方法

试验钢成分（质量分数）见表1。试样为实验室冶炼高强韧460 MPa级船板钢钢坯，加工成热模拟实验所需的试样尺寸为Φ8 mm×15 mm。

表1 实验钢的成分（质量分数） %

图1 所示为本次实验具体的工艺。将试样以10 ℃/s 的速度加热到 1 200 ℃，均质化 180 s，随后以5 ℃/s 的冷速冷却至820～1 150 ℃，最后进行单道次压缩。具体的应变参数见表2。

图1 单道次压缩实验工艺示意图

表2 单道次压缩实验参数

3 实验结果及分析

3.1 变形温度对变形抗力的影响

图2为三种不同的变形速率下，实验钢在不同温度的应力应变曲线。由图2可见，不同温度下的应力-应变曲线的形状相似，均为动态回复型。

在三种应变速率下，变形抗力随着变形温度的升高而减小［1-3］。由于温度的升高，原子的活跃程度增加，此时位错的运动加剧。同时温度升高也会为位错提供挣脱Cottrell气团钉扎作用的能量，位错运动阻力减小，更易发生位错重排和湮灭［4-5］，因此金属的变形抗力随温度的升高而降低。如图2c 所示，当应变为0.4 时，变形抗力从950 ℃时的187 MPa减小到1 100 ℃的137 MPa。

由图2 可知，在其他条件相同的前提下，变形抗力随应变量的升高而降低。当应变量小于0.2时，变形抗力增加的速率较快，而当变形量进一步增加时，曲线趋于缓和，变形抗力增加的速率降低。这主要是由于随变形程度的进一步增加，位错密度等结构缺陷增多，储存能增加，从而促进了动态回复与再结晶进一步导致软化。

图2 变形温度对试验钢变形抗力的影响

3.2 应变速率对变形抗力的影响

图3 分别为4 种不同温度时，应变速率分别为0.1、1和10 s-1时的应力应变曲线。如图3 a所示，发生动态再结晶的温度和应变速率呈正相关。应变速率为10 s-1的曲线在应变量＜0.2 时，变形抗力相较于其余两种变形速率增加较为明显。当变形量超过0.2时，随变形程度的增加，应力应变曲线变得更加缓和，说明此时加工硬化的作用减弱。当应变速率增加时，基体产生动态再结晶的温度增加，产生动态回复的温度区间变大，曲线的动态再结晶特征消失。如图3c所示，在高温区，当变形程度提高时，变形抗力的提升变得更加平缓。这是由于位错相抵消和重排产生了软化作用，与加工硬化的作用相互抵消导致的。在相同的变形温度下，当应变值一定时，变形速率越高，所对应的应力值越大。同时，随着应变速率的增加，应力峰值向应变增大的方向移动。

图3 变形速率对试验钢变形抗力的影响

从上述结果可以得出结论，应变速率是变形抗力更重要的影响因素。在其他条件相同时，随着变形速率的增加，变形抗力升高是必然的结果，这是由于当应变速率较大时，动态软化发生的时间不够充足，加工硬化占据主导地位。随着变形速率的增加，再结晶的驱动力也增大，动态再结晶的启动也会随着再结晶驱动力的增加而变得困难。

在同样的变形温度下，变形速率的增加，将会使得变形抗力变大。其主要原因是由于在大的变形速率下，变形时间缩短，位错快速增殖，并且在晶界附近塞积，进而使得变形抗力增大。而从变形过程中的软化方面来说，随着变形速率的增大，位错没有足够的时间去运动，使得基体的回复和再结晶发生延迟。所以，基体的加工硬化会更加明显，变形抗力会显著变大。此外，变形速率的增大，也会使摩擦系数发生改变，进而对变形抗力产生影响。最后，由于在压缩过程中，基体内部会随着变形程度的增大而产生形变热，而变形速率的增大，将会使基体内部的形变热更加明显，这种在塑性变形过程中形变能转化为热能的现象称之为热效应。这种热效应的存在也会影响变形抗力。而在压缩过程中存在的摩擦和形变热，在必要的时候，均可以通过数据处理进行修正。

随着应变速率的增大，动态再结晶更加难以发生。因为此时的加工硬化作用更加显著。与此同时，动态软化作用也由于再结晶驱动力的增加而变大。二者达到平衡时，峰值的应变和应力都将增大。

3.3 变形后淬火实验结果

如图4所示为实验钢在不同温度，经过不同变形后的电镜扫描照片。当变形量为0.5 时，奥氏体晶粒较为粗大，且在低温（900 ℃）下能看到由于变形而形成的饼形晶粒。这是由于变形量较小，从奥氏体晶粒反映出的变形就更加微小的缘故。当增大变形量时，组织被“拉长”的现象更加明显。在变形量达0.8 时，基体中的某些部位出现了奥氏体再结晶晶粒，同时能够观察到变形带，如图4 d 所示。但是由于并没有大范围出现再结晶晶粒和变形带，因此无法对流变应力造成较大影响，应力应变曲线仍属于动态回复型。