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(jī)械有限責(zé)任公司，上海 201206；2.上海電機(jī)學(xué)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(jī)械有限責(zé)任公司，上海 201206；2.上海電機(jī)學(xué)院，上海 200240）

高溫高壓管是核電設(shè)備和火力發(fā)電設(shè)備使用的關(guān)鍵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件。本文通過Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，對P92耐熱鋼進(jìn)行熱壓縮變形實(shí)驗(yàn)，從而得到P92耐熱鋼的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。對真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)材料在高溫變形過程中出現(xiàn)了動態(tài)軟化現(xiàn)象。通過引入Zener-Hollomon參數(shù)，建立P92耐熱鋼的本構(gòu)方程。另外，對熱壓縮試樣進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究變形溫度、變形量、應(yīng)變速率等變形參數(shù)對動態(tài)再結(jié)晶和流變應(yīng)力的影響規(guī)律，得到了P92合金的動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)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(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行模擬分析。

管材擠壓；本構(gòu)方程；動態(tài)再結(jié)晶；數(shù)學(xué)模型；P92

高溫高壓鋼管主要用于核電和火電設(shè)備中的高壓和超高壓鍋爐過熱器管、再熱器管、導(dǎo)氣管、主蒸汽管等。其工作時內(nèi)部工作條件惡劣，需承受較高的壓力和溫度，故許用應(yīng)力、持久強(qiáng)度和抗腐蝕性能的要求很高[1-3]。目前大型機(jī)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(qiáng)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(yù)測問題進(jìn)行全面、系統(tǒng)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(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)

為了分析馬氏體耐熱鋼P(yáng)92的熱變形行為，本文擬應(yīng)用GLEEBLE-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫圓柱體壓縮試驗(yàn)，同時記錄溫度、力、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的變化曲線。從棒材上取樣，加工?10×15 mm圓柱體作為實(shí)驗(yàn)試樣，表面拋光處理。熱壓縮變形實(shí)驗(yàn)工藝如圖1所示。

圖1 熱壓縮變形實(shí)驗(yàn)工藝

利用Origin處理Gleeble-3500熱模擬機(jī)自動采集的載荷、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、時間等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制出材料P92的6組24條真實(shí)應(yīng)力應(yīng)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(yīng)變速率所對應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以看出以下特征：

（1）隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，應(yīng)力值出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，發(fā)生了明顯的流動軟化，此時說明產(chǎn)生了動態(tài)再結(jié)晶。

圖2 P92真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

（2）溫度越高、應(yīng)變速率越低，動態(tài)軟化進(jìn)行的更充分。

1.2 P92合金本構(gòu)方程研究

一般金屬高溫變形時流變應(yīng)力的表達(dá)式可以下述形式表達(dá)，Z為溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃覽2-5]，Z參數(shù)的引用能夠簡化本構(gòu)方程關(guān)系，也能很好地反映熱變形過程[6-9]。

對式（2）求導(dǎo)，可得

由上式可得出

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

根據(jù)P92真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線組圖中的應(yīng)力值，對實(shí)測流變應(yīng)力的結(jié)果進(jìn)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(gòu)方程為：

2 P92合金動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型

2.1 單向壓縮試樣金相實(shí)驗(yàn)

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

表1 金相制樣實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖3 BUEHLER自動磨拋機(jī)

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(jìn)行標(biāo)號。使用苦鹽酒和三氯化鐵水溶液兩者相結(jié)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(jìn)行噴洗，然后再使用電吹風(fēng)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(yīng)變速率依次為0.05s-1、0.1s-1、0.5s-1、1s-1的六組動態(tài)再結(jié)晶金相圖。圖5為1100℃、1s-1時的動態(tài)再結(jié)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(yàn)晶粒尺寸。

表2 不同變形條件下的壓縮試驗(yàn)晶粒尺寸

2.2 P92合金的動態(tài)再結(jié)晶的數(shù)學(xué)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(jìn)行的熱變形動態(tài)再結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸D取決于Z因子[10-11]，其經(jīng)驗(yàn)公式為[12-15]

式中：A與-nD均為與材料相關(guān)的常數(shù)，對式（6）兩邊取對數(shù)，可得

將表2中不同變形條件壓縮試驗(yàn)的晶粒尺寸和Z值代入，并線性回歸，得到lnD與lnZ的關(guān)系曲線如圖6所示。由于950℃時的高應(yīng)變速率下沒有發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，對于晶粒尺寸的計算只是涉及1000℃～1200℃下5種溫度的數(shù)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(guān)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(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型為：

3 P92高溫高壓管擠壓工藝和動態(tài)再結(jié)晶數(shù)值模擬

根據(jù)之前得到的材料數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，利用FORGE鍛造數(shù)值模擬軟件對P92高溫高壓管的擠壓成形過程和動態(tài)再結(jié)晶微觀組織演變進(jìn)行模擬。其中，擠壓比為8，擠壓速度為30mm/s。

將P92動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型以文本的形式代入FORGE有限元軟件，對其動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸和體積百分?jǐn)?shù)進(jìn)行模擬分析。其晶粒直徑和體積百分?jǐn)?shù)如圖7所示。

圖7 擠壓比8、擠壓速度30mm/s的動態(tài)再結(jié)晶模擬結(jié)果

從圖7中可以看出，縱截面的動態(tài)再結(jié)晶過程也非常明顯。其中晶粒尺寸在23～27μm左右，大部分區(qū)域的體積百分?jǐn)?shù)能夠達(dá)到70%以上，某些區(qū)域能達(dá)到90%，動態(tài)再結(jié)晶效果良好。

4 結(jié)論

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

（2）建立P92合金的動態(tài)再結(jié)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(jìn)行模擬，擠壓比為8、擠壓速度為30mm/s的工藝參數(shù)下變形時，動態(tài)再結(jié)晶效果良好。

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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(jī)械、材料成形等設(shè)計研究。E-mail：renj@sdju.edu.cn