高強韌460 MPa級船板鋼的高溫變形行為研究

顧大慶，麻 衡，李 艷，王中學，鄒穩蓬

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

1 前 言

隨著中國經濟的高速發展，船舶及海洋工業邁向國際市場、參與國際競爭的進程進一步深入，造船及海洋平臺行業對船板鋼的用量和性能要求不斷提高，迫切需要具有高強度、高精度、優良可焊接性和適應惡劣環境的高品質鋼，高強韌460 MPa級船板鋼應運而生［1］。萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司聯合北京科技大學在其冶金工程研究院的Gleeble-3500 熱模擬試驗機上研究了高強韌460 MPa級船板鋼的高溫變形行為，研究了其高溫熱變形機理，為工業化生產提供理論基礎。

2 實驗材料及實驗方法

試驗鋼成分（質量分數）見表1。試樣為實驗室冶煉高強韌460 MPa級船板鋼鋼坯，加工成熱模擬實驗所需的試樣尺寸為Φ8 mm×15 mm。

表1 實驗鋼的成分（質量分數） %

圖1 所示為本次實驗具體的工藝。將試樣以10 ℃/s 的速度加熱到 1 200 ℃，均質化 180 s，隨后以5 ℃/s 的冷速冷卻至820～1 150 ℃，最后進行單道次壓縮。具體的應變參數見表2。

圖1 單道次壓縮實驗工藝示意圖

表2 單道次壓縮實驗參數

3 實驗結果及分析

3.1 變形溫度對變形抗力的影響

圖2為三種不同的變形速率下，實驗鋼在不同溫度的應力應變曲線。由圖2可見，不同溫度下的應力-應變曲線的形狀相似，均為動態回復型。

在三種應變速率下，變形抗力隨著變形溫度的升高而減小［1-3］。由于溫度的升高，原子的活躍程度增加，此時位錯的運動加劇。同時溫度升高也會為位錯提供掙脫Cottrell氣團釘扎作用的能量，位錯運動阻力減小，更易發生位錯重排和湮滅［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，當應變為0.4 時，變形抗力從950 ℃時的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，變形抗力隨應變量的升高而降低。當應變量小于0.2時，變形抗力增加的速率較快，而當變形量進一步增加時，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一步增加，位錯密度等結構缺陷增多，儲存能增加，從而促進了動態回復與再結晶進一步導致軟化。

圖2 變形溫度對試驗鋼變形抗力的影響

3.2 應變速率對變形抗力的影響

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

圖3 變形速率對試驗鋼變形抗力的影響

從上述結果可以得出結論，應變速率是變形抗力更重要的影響因素。在其他條件相同時，隨著變形速率的增加，變形抗力升高是必然的結果，這是由于當應變速率較大時，動態軟化發生的時間不夠充足，加工硬化占據主導地位。隨著變形速率的增加，再結晶的驅動力也增大，動態再結晶的啟動也會隨著再結晶驅動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，變形時間縮短，位錯快速增殖，并且在晶界附近塞積，進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，位錯沒有足夠的時間去運動，使得基體的回復和再結晶發生延遲。所以，基體的加工硬化會更加明顯，變形抗力會顯著變大。此外，變形速率的增大，也會使摩擦系數發生改變，進而對變形抗力產生影響。最后，由于在壓縮過程中，基體內部會隨著變形程度的增大而產生形變熱，而變形速率的增大，將會使基體內部的形變熱更加明顯，這種在塑性變形過程中形變能轉化為熱能的現象稱之為熱效應。這種熱效應的存在也會影響變形抗力。而在壓縮過程中存在的摩擦和形變熱，在必要的時候，均可以通過數據處理進行修正。

隨著應變速率的增大，動態再結晶更加難以發生。因為此時的加工硬化作用更加顯著。與此同時，動態軟化作用也由于再結晶驅動力的增加而變大。二者達到平衡時，峰值的應變和應力都將增大。

3.3 變形后淬火實驗結果

如圖4所示為實驗鋼在不同溫度，經過不同變形后的電鏡掃描照片。當變形量為0.5 時，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。當增大變形量時，組織被“拉長”的現象更加明顯。在變形量達0.8 時，基體中的某些部位出現了奧氏體再結晶晶粒，同時能夠觀察到變形帶，如圖4 d 所示。但是由于并沒有大范圍出現再結晶晶粒和變形帶，因此無法對流變應力造成較大影響，應力應變曲線仍屬于動態回復型。

4 結 論

4.1 在其他參數相同的條件下，當變形溫度升高時，硬化率逐漸降低，變形抗力逐步減小；

4.2 當應變量＞0.2 時，金屬變形抗力隨著變形程度的增加而變得平緩；當應變量＜0.2 時，加工硬化現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，變形抗力和應變速率呈正相關。

圖4 在經歷相同應變速率變形后的組織微觀形貌