X100管線鋼的高溫變形力學行為

齊 亮，趙征志，趙愛民

（1.北京科技大學冶金工程研究院，北京，100083；2.江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州，341000）

X100管線鋼的高溫變形力學行為

齊 亮1，2，趙征志1，趙愛民1

（1.北京科技大學冶金工程研究院，北京，100083；2.江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州，341000）

采用Gleeble－3500熱模擬試驗機對X100管線鋼進行單道次壓縮試驗，研究其變形抗力與應變量、應變速率和變形溫度的關系，利用回歸分析確立合適的變形抗力數學模型，并將模型預測值與試驗值進行比較。結果表明，變形溫度對X100管線鋼變形抗力影響顯著；高溫低應變速率更有利于X100管線鋼回復和再結晶的發生；應變速率過高會引起非穩態變形，不利于X100管線鋼軋制過程的控制；利用回歸分析確定的變形抗力模型能夠準確預測X100管線鋼的變形抗力，相關系數為0.986。

變形抗力；管線鋼；變形溫度；應變速率

隨著經濟的增長，石油和天然氣的消耗量越來越大，但大部分油氣田都遠離消費市場終端，并且地理環境惡劣，這對油氣的輸送提出了更高的要求。采用高級別鋼作為輸送用管線鋼，可降低管身自重，增強管身耐壓強度，提高油氣的輸送效率，降低建設成本。目前，用于油氣輸送的管線鋼強度級別從X60、X80逐步升級到X100和X120，這對采用典型TMCP工藝生產X100管線鋼的軋機能力提出更高的要求。

管線鋼中微合金元素Cr、Mo可以提高鋼的淬透性，Nb、Ti能夠細化晶粒并且低溫時以碳氮化物形式析出，抑制或延遲再結晶發生［1－2］，增加材料軋制時的變形抗力，而變形抗力變化對板形、厚度等生產要素的控制有著重要的意義［3－5］。國內外針對高鋼級微合金管線鋼的高溫變形力學行為模型的報道較少，Sun等［6］研究了X80管線鋼的變形抗力，而X100管線鋼的高溫變形力學行為模型還未見報道。為此，本文對X100管線鋼進行單道次壓縮試驗，分析應變量、應變速率、變形溫度等因素對其高溫力學性能的影響，確立合適的數學模型，以期為高鋼級管線鋼的研制提供理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗鋼為國內某廠試制的X100連鑄坯，其化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of the tested steel

將連鑄坯加工成Φ10 mm×15 mm的圓柱試樣，在Gleebe－3500熱模擬試驗機上進行單道次壓縮試驗。試樣以1 0℃／s的升溫速率加熱到1 200℃，保溫180 s，再以3℃／s的冷卻速率分別冷卻至1 100、1 000、950、900、870、830、800℃后保溫30 s以減小試樣內外的溫度梯度，然后進行壓縮變形。應變速率ε·分別為0.1、1、10、30 s－1，變形結束后以15℃／s的速率冷卻至室溫。試驗數據用ORIGIN軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 變形溫度對變形抗力的影響

圖1所示為應變量為0.4時試樣的變形抗力隨變形溫度的變化情況。由圖1中可知，相同的應變速率下，變形抗力隨變形溫度的升高而減小，呈線性關系。這一方面是由于隨著變形溫度的升高，分子熱運動能力增強，會促進位錯的滑移和攀移，開動更多的滑移系或其他塑性變形機制，使正負位錯互相抵消，同類位錯互相合并，減小由于位錯運動而形成的位錯堆積；另一方面，溫度升高提高了激活能，并且Nb、Ti大部分固溶于基體中，對位錯和晶界的釘扎阻力減小，有利于試樣中形變奧氏體發生動態回復和再結晶，消除加工硬化產生的內應力，實現材料的軟化。

熱變形過程中，達到動態再結晶的臨界變形量時材料發生動態再結晶，應力峰值降低。溫度越高，試樣的臨界變形量越小，越有利于發生動態再結晶。X100管線鋼中S含量較低，在此溫度區間進行熱加工不會發生熱脆現象，可提高材料塑性。可見，X100管線鋼控制軋制過程中，在保證產品質量的前提下在高溫區應盡可能采用大變形量的加工方法，通過再結晶來細化奧氏體晶粒。

圖1 ε＝0.4時變形抗力與變形溫度的關系Fig.1 Relationship between deformation temperature and deformation resistance（ε＝0.4）

2.2 應變量對變形抗力的影響

圖2所示為應變速率為0.1 s－1和30 s－1時，試樣變形抗力隨應變量的變化情況。由圖2（a）中可知，應變速率為0.1 s－1、變形溫度為1 100℃時，試樣應變量增加到0.2左右時變形抗力達到峰值，隨著變形程度繼續增大，變形抗力略有下降后保持平緩，表明在1 100℃下應變量達到0.2時發生了動態回復和再結晶，抵消了變形過程中由于位錯密度增大而產生的加工硬化，應變量繼續增大，加工硬化與動態再結晶軟化達到平衡，應力－應變曲線變得平緩；當變形溫度降至1 000℃時，應變量達0.2以后曲線表現為平緩上升，無應力峰值出現，表明相同變形條件下，由于溫度的降低導致動態回復，試樣中幾乎無再結晶發生，加熱引起的應力松弛無法抵消加工硬化［7］；當變形溫度進一步降低時，變形抗力隨著應變量的增加均呈現出單一加工硬化狀態。由圖2（b）中可見，當應變速率為30 s－1時，試樣變形抗力隨著應變量的增加表現出不穩定狀態，變形剛開始時起伏較大，當應變量大于0.1以后才趨于穩定，此時變形抗力隨著應變量的增大速率（強化強度，也即圖2（b）中曲線的斜率）減小，這是由于應變速率快，試樣中瞬時產生的位錯密度急劇增多，來不及發生完全回復和再結晶；隨著應變量的增加，應變畸變能的提高為回復和再結晶提供了驅動力，使試樣發生動態再結晶，在應力－應變曲線上表現為峰值下降，此時加工硬化與動態再結晶軟化達到平衡。這樣的過程有時會持續幾次，但隨著應變量的增大，試樣變形抗力趨向平穩上升。

圖2 變形抗力與應變量的關系Fig.2 Relationship between deformation resistance and true strain

2.3 應變速率對變形抗力的影響

應變速率對變形抗力的影響主要取決于在塑性變形過程中因變形而引起金屬內部位錯密度增加的速率和位錯消失與合并而引起的動態回復、再結晶的速率這兩種軟化機制交互作用的結果。圖3所示為應變量為0.4時不同應變速率下試樣的變形抗力。由圖3中可見，在不同的變形溫度下，試樣變形抗力均表現出隨應變速率增大而增加這一規律。這是因為應變速率的增大使試樣中位錯產生和移動的速度加快，容易形成位錯堆積而使試樣的變形抗力增大［8］；從塑性變形過程中硬化和軟化這一對矛盾過程來說，隨著應變速率的增大，由于沒有足夠的時間來完成塑性變形，試樣中位錯滑移和攀移的數量少，不能有效地進行回復和再結晶，因而會加劇加工硬化，使金屬的變形抗力增大；隨著應變速率的增大，試樣中部分機械能轉變為熱能，會導致溫度升高而有利于奧氏體的動態回復過程發生，降低試樣的變形抗力。但總體上變形抗力隨著應變速率的增加呈現上升趨勢，位錯的增殖占主導地位。當應變速率較小時，應變量的增大引起的變形抗力增大明顯，隨著應變速率的增大，變形抗力隨應變量的變化變得較為平緩。

圖3 應變速率與變形抗力的關系Fig.3 Relationship between strain rate and deformation resistance

2.4 變形抗力模型的確立

變形抗力對設備的安全運行和合理制定加工工藝有著重要的意義，國內外學者對變形抗力模型也有不同的觀點，并建立了不同的數學模型［9－12］。本文以應變速率、應變量和變形溫度為主要影響因素，綜合考慮其對變形抗力的影響，采用文獻［12］中的模型進行計算：

式中：σ為平均變形抗力，MPa；σ0為基準變形抗力（1 000℃下應變量為0.4時的應力，實驗值為208 MPa）；ε為真應變；ε·為應變速率，s－1；T為變形溫度，K；a1～a6為與材料有關的系數。

利用Matlab軟件對350組試驗數據進行回歸分析，得出X100管線鋼單道次壓縮變形抗力模型中各參數的最佳估計值如下：a1＝－1.949，a2＝3.651，a3＝0.247，a4＝－0.224，a5＝0.233，a6＝0.041，擬合度為0.986。

由此可得X100管線鋼在800～1 100℃溫度區間的變形抗力數學模型為

根據回歸理論對相關系數進行校驗可知，回歸效果顯著。

通過軟件計算可知該模型的殘差平方和（SSE）為10.3。回歸預報精度為σ±SSE×t3440.05，對于α＝0.05，t3440.05＝1.644 9，計算可得變形抗力95%在σ±16.9 MPa之間，可見模型精度符合要求。

為了進一步驗證此變形抗力模型的準確性，將變形溫度為950℃、應變速率為1 s－1和變形溫度為1 000℃、應變速率為0.1 s－1以及變形溫度為950℃、應變速率為10 s－1三種情形下的實驗值和模型計算值進行對比分析，結果如圖4所示。

由圖4中可見，變形溫度為950℃、應變速率為1 s－1時，實驗值與模型計算值之間最大相差12 MPa；變形溫度為1 000℃、應變速率為0.1 s－1時，實驗值與模型計算值之間最大相差10 MPa；變形溫度為1 000℃，應變速率為10 s－1時，實驗值與模型計算值之間最大相差14 MPa。變形速率過高對模型預測的準確性有一定影響，因此在實際生產中應嚴格控制應變速率，減小其引起的變形抗力波動。

圖4 變形抗力實驗值與模型計算值的比較Fig.4 Comparison between experimental values and calculated values

3 結論

（1）相同應變速率下，隨著變形溫度的升高，X100管線鋼的變形抗力呈線性下降的趨勢。

（2）變形溫度為1 100℃、應變速率為0.1 s－1的情況下，應變量大于0.2時，X100管線鋼中發生了動態再結晶；變形溫度降至1 000℃以下，隨著應變量的增加，X100管線鋼中呈現出單一的加工硬化狀態，無動態再結晶發生。

（3）X100管線鋼在低的應變速率下，位錯增殖慢，變形抗力小；應變速率為1 s－1時，其加工硬化率較高；在30 s－1的高應變速率下其變形抗力出現不穩定情況。

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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

［責任編輯 鄭淑芳］

2011－11－02

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2006BAE03A06）.

齊 亮（1980－），男，北京科技大學博士生.E－mail：ql0455＠163.com

趙愛民（1962－），男，北京科技大學教授，博士生導師.E－mail：aimin.zhao＠mater.ustb.edu.cn