P92高溫高壓鋼管擠壓成形組織研究

葛 蘇，任 杰

（1.上海煙草機械有限責任公司，上海 201206；2.上海電機學院，上海 200240）

P92高溫高壓鋼管擠壓成形組織研究

葛 蘇1，任 杰2

（1.上海煙草機械有限責任公司，上海 201206；2.上海電機學院，上海 200240）

高溫高壓管是核電設備和火力發電設備使用的關鍵基礎結構件。本文通過Gleeble熱模擬實驗機，對P92耐熱鋼進行熱壓縮變形實驗，從而得到P92耐熱鋼的真實應力應變曲線。對真實應力應變曲線進行觀察，發現材料在高溫變形過程中出現了動態軟化現象。通過引入Zener-Hollomon參數，建立P92耐熱鋼的本構方程。另外，對熱壓縮試樣進行金相實驗，分析實驗數據和金相實驗結果。研究變形溫度、變形量、應變速率等變形參數對動態再結晶和流變應力的影響規律，得到了P92合金的動態再結晶數學模型和晶粒尺寸模型。最后利用FORGE有限元軟件，對管材的熱擠壓過程和動態再結晶過程進行模擬分析。

管材擠壓；本構方程；動態再結晶；數學模型；P92

高溫高壓鋼管主要用于核電和火電設備中的高壓和超高壓鍋爐過熱器管、再熱器管、導氣管、主蒸汽管等。其工作時內部工作條件惡劣，需承受較高的壓力和溫度，故許用應力、持久強度和抗腐蝕性能的要求很高[1-3]。目前大型機組鍋爐過熱器和再熱器高溫段一般使用Cr-Ni耐熱鋼管，最典型的耐熱高強度鋼為P91、P92，它們廣泛用于各種高溫高壓管道，因此本文將針對P92高溫高壓管擠壓成形過程中的組織預測問題進行全面、系統的研究。

1 P92合金熱變形行為及其熱加工圖的研究

1.1 P92等溫等應變速率壓縮實驗

為了分析馬氏體耐熱鋼P92的熱變形行為，本文擬應用GLEEBLE-3500熱模擬試驗機進行高溫圓柱體壓縮試驗，同時記錄溫度、力、應力、應變等參數的變化曲線。從棒材上取樣，加工?10×15 mm圓柱體作為實驗試樣，表面拋光處理。熱壓縮變形實驗工藝如圖1所示。

圖1 熱壓縮變形實驗工藝

利用Origin處理Gleeble-3500熱模擬機自動采集的載荷、應力、應變、位移、時間等實驗數據，并繪制出材料P92的6組24條真實應力應變曲線，如圖2所示。

6組曲線分別表示 950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃時，四種不同應變速率所對應的真實應力-應變曲線，從圖中可以看出以下特征：

（1）隨著應變的繼續增加，應力值出現了下降現象，發生了明顯的流動軟化，此時說明產生了動態再結晶。

圖2 P92真實應力應變曲線

（2）溫度越高、應變速率越低，動態軟化進行的更充分。

1.2 P92合金本構方程研究

一般金屬高溫變形時流變應力的表達式可以下述形式表達，Z為溫度補償的變形速率因子[2-5]，Z參數的引用能夠簡化本構方程關系，也能很好地反映熱變形過程[6-9]。

對式（2）求導，可得

由上式可得出

式中：R為氣體常數，R＝8.314J/（mol·K）），T為絕對溫度（K）。

根據P92真實應力應變曲線組圖中的應力值，對實測流變應力的結果進行多元回歸分析，得到Q= 192kJ/mol，n=3.69，A=17806.45389。所以，P92合金鋼的熱變形本構方程為：

2 P92合金動態再結晶數學模型

2.1 單向壓縮試樣金相實驗

金相制樣主要實驗設備及試驗條件如表1所示。其過程主要分解為：切割取樣、鑲嵌樣品、機械制樣（研磨、拋光）、檢驗樣品等四步。圖3為BUEHLER自動磨拋機，圖4為德國蔡司金相顯微鏡。

表1 金相制樣實驗設備

圖3 BUEHLER自動磨拋機

圖4 德國蔡司金相顯微鏡

將不同熱壓縮工藝變形后的試樣熱鑲嵌后，進行標號。使用苦鹽酒和三氯化鐵水溶液兩者相結合的腐蝕方法，兩者的腐蝕時間均為兩分鐘。將腐蝕完畢后的試樣先用自來水沖洗，再用無水乙醇進行噴洗，然后再使用電吹風將試樣吹干。將其放在顯微鏡上，觀察顯微組織，并拍下照片。其中，共有變形溫度分別為950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃，應變速率依次為0.05s-1、0.1s-1、0.5s-1、1s-1的六組動態再結晶金相圖。圖5為1100℃、1s-1時的動態再結晶金相圖。

圖5 1100℃、1s-1金相圖

表2為不同變形條件下的壓縮試驗晶粒尺寸。

表2 不同變形條件下的壓縮試驗晶粒尺寸

2.2 P92合金的動態再結晶的數學模型研究

Sellars等通過對Fe、C-Mn鋼、Ni和奧氏體不銹鋼等金屬和合金進行的熱變形動態再結晶實驗研究，發現穩定動態再結晶晶粒尺寸D取決于Z因子[10-11]，其經驗公式為[12-15]

式中：A與-nD均為與材料相關的常數，對式（6）兩邊取對數，可得

將表2中不同變形條件壓縮試驗的晶粒尺寸和Z值代入，并線性回歸，得到lnD與lnZ的關系曲線如圖6所示。由于950℃時的高應變速率下沒有發生完全動態再結晶，對于晶粒尺寸的計算只是涉及1000℃～1200℃下5種溫度的數值，其中斜率平均值-nD=-0.167632，即nD=0.167632。

圖6 lnD-lnZ曲線

將求得的D、Z、nD代入式（6），用Origin軟件繪制D-（Z）-nD

關系曲線，其斜率值即為式（6）中的斜率A值，A=1881.9844。將A、nD值代入式（6），即可得P92耐熱合金鋼的動態再結晶晶粒尺寸模型為：

3 P92高溫高壓管擠壓工藝和動態再結晶數值模擬

根據之前得到的材料數據和數學模型，利用FORGE鍛造數值模擬軟件對P92高溫高壓管的擠壓成形過程和動態再結晶微觀組織演變進行模擬。其中，擠壓比為8，擠壓速度為30mm/s。

將P92動態再結晶數學模型以文本的形式代入FORGE有限元軟件，對其動態再結晶晶粒尺寸和體積百分數進行模擬分析。其晶粒直徑和體積百分數如圖7所示。

圖7 擠壓比8、擠壓速度30mm/s的動態再結晶模擬結果

從圖7中可以看出，縱截面的動態再結晶過程也非常明顯。其中晶粒尺寸在23～27μm左右，大部分區域的體積百分數能夠達到70%以上，某些區域能達到90%，動態再結晶效果良好。

4 結論

（1）以熱壓縮應力應變曲線為基礎，建立了P92耐熱鋼的雙曲正弦流變應力本構方程。

（2）建立P92合金的動態再結晶晶粒尺寸模型。

（3）利用FORGE有限元軟件對管材的擠壓過程進行模擬，擠壓比為8、擠壓速度為30mm/s的工藝參數下變形時，動態再結晶效果良好。

[1]殷國茂.我國無縫鋼管技術裝備的現狀及發展前景 [J].鋼管，2005，34：1-5.

[2]白 箴.垂直擠壓大口徑厚壁無縫鋼管生產線[J].制造技術與機床，2011，11：71-73.

[3]張凌峰，王寶峰，李建超，等.P91大口徑厚壁無縫管擠壓過程的（FEM）有限元模擬[J].內蒙古科技大學學報，2011，30（4）：370-373.

[4]Z.M.Hu，J.W.Brooks，T.A.Dean.Experimental and Theoretical Analysis of Deformation and Microstructural Evolution in the Hotdie Forging of Titanium Alloy Aerofoil Sections[J].Journal of Materials Processing Technology，1999，88：251-265.

[5]周義剛，曾衛東，俞漢清，等.熱加工圖研究進展與應用[J].稀有金屬材料與工程，2005，34（3）：716-719.

[6]趙建琴.微觀組織預測技術在熱成型過程中的應用[J].中北大學學報，2009，30（1）：90-94.

[7]魯世強，李 鑫，王克魯，等.基于動態材料模型的材料熱加工工藝優化方法[J].中國有色金屬學報，2007，17（6）：890-896.

[8]王 艷，王明家，蔡大勇，等.高強度奧氏體不銹鋼的熱變形行為及其熱加工圖[J].材料熱處理學報，2005，26（4）：65-68.

[9]李慶波，周海濤，蔣永峰，等.加工圖的理論研究現狀與展望[J].有色冶金設計與研究，2009，30（4）：1-6.

[10]王雪鳳，吳任東，鄧晨曦，等.新型耐熱高強鋼P91的高溫力學性能[J].機械工程學報，2008，44（6）：243-247.

[11]Chen Huiqin，Zhang Qiaoli，Liu Jiansheng，Guo Huiguang.Simulation and prediction of microstructure in hot forming of metals [M].Nonferrous Met，Sco.China，2000，10（4）：25-30.

[12]Marx V，Reher F R，Gottstein G.Simulation ofPrimary Recrystallization Using a Modified Three-Dimensional Cellular Automation [M].Acta Materi-alia，1999，47（4）：1219-1230.

[13]PRASAD Y V R K.Author's reply：dynamic materials model：basis and priciples[J].Met.Trans，1996，27A：235-247.

[14]PRASAD Y V R K.SASJDHARA S，Hot working guide：A compendium of processing mapa[J]，Materials Park，OH：ASM International，The Materials Information Society，1997：25-545.

[15]K.P.Raw，E.Hawbolt.Development of Constitutive Relationships Using Compression Testing of a Medium Carbon Steel[J].Transaction of the ASME Journal of Engineering Materials and Technology，1992，114（1）：116-123.

The organizations research of P92 high temperature and high pressure pipe extrusion

GE Su1,REN Jie2
（1.Shanghai Tobacco Machinery Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China; 2.College of Mechanical Engineering,shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China）

High temperature and high pressure pipe is a key basic part of the nuclear power equipment and thermal power plants.This article will get the real stress-strain curves of P92 heat-resistant steel by the hot compression deformation experiments on Gleeble thermal simulation machine.Observe the true stress-strain curve,the dynamic softening phenomenon will be found in the process of high temperature deformation of the material.The article will establish the constitutive equation of P92 heat-resistant steel by the introduction of the Zener-Hollomon parameter.And Thermal compressed sample will be taken the metallographic experimental.Experimental data and metallographic experimental results will be analyzed.The impact law of the deformation temperature,deformation, strain rate to dynamic recrystallization and flow stress law will be studied.This article will got the dynamic recrystallization mathematical models and grain size model of the P92 alloy by combination of linear regression method.At last,the artical will simulate the hot extrusion process and dynamic recrystallization process by forge finite element software.

Tube extrusion;constitutive equation;dynamic recrystallization;mathematical model

TG376

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.032

1672-0121（2016）01-0111-04

2015-10-11；

2015-11-25

葛 蘇（1985-），女，碩士，助工，從事包裝機械、材料成形等設計研究。E-mail：renj@sdju.edu.cn