高層建筑用鋼的熱塑性變形行為研究

由 堯

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 淮北 235000)

隨著國民經(jīng)濟(jì)實力的增強和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國建筑工程正逐步朝著超高層和大跨度鋼結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，這給建筑新技術(shù)和新材料帶來了巨大發(fā)展機遇。高建鋼作為受力情況復(fù)雜的高層建筑、大跨度體育場館以及鋼結(jié)構(gòu)廠房等大型建筑工程中重要的結(jié)構(gòu)材料，除需要具有傳統(tǒng)普碳或者低合金鋼的強度、塑性和抗震防火性能外[1]，還需要具有良好的成形性以滿足超高層和大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的需求，而實際生產(chǎn)過程中高層和大跨度建筑用鋼存在加工困難、生產(chǎn)成本高以及綜合性能難以滿足高層建筑用鋼要求等問題[2-4]。雖然科研工作者和生產(chǎn)廠家在原材料開發(fā)和生產(chǎn)工藝優(yōu)化上做了大量工作，但是關(guān)于高層建筑用鋼熱塑性變形方面的研究較少。通過熱模擬的方法研究高層建筑用鋼的組織和性能變化規(guī)律，可以對Q460高建鋼熱變形過程中的顯微組織演變進(jìn)行模擬分析，確定動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生條件，并為制定和優(yōu)化Q460高建鋼熱輾擴工藝提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

以砂型鑄造Q460高建鋼鋼坯為試驗原料，原始組織為鐵素體和珠光體，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得高建鋼主要元素化學(xué)成分見表1。

表1 高建鋼主要元素化學(xué)成分 %

砂型鑄造Q460鋼的熱壓縮試驗在Gleeble-3800型材料熱模擬試驗機上進(jìn)行，用于熱模擬的圓柱試樣截取自Q460高建鋼鋼坯，圓柱試樣直徑8 mm、高12 mm，熱模擬變形過程中在圓柱試樣兩側(cè)放置厚度0.15 mm的石墨片，圖1為Q460鋼的熱壓縮工藝示意圖。

圖1 Q460鋼的熱塑性變形工藝圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2為Q460鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)變形溫度為850，950，1 050，1 150 ℃時，Q460鋼的應(yīng)力都會隨著應(yīng)變增加而出現(xiàn)先增加、后穩(wěn)定的趨勢，這是因為在變形開始階段，較小的應(yīng)變下會發(fā)生位錯纏結(jié)而加工硬化[5]，應(yīng)力增加速率較快，而當(dāng)應(yīng)變增加至一定程度時，應(yīng)力對應(yīng)變的敏感性降低，整體應(yīng)力趨于不變，這個階段會在Q460鋼內(nèi)部同時發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，硬化與軟化相互作用。此外，在相同的應(yīng)變和變形溫度下，變形速率的增加會使得Q460鋼具有較高的應(yīng)力，這主要與加工硬化程度有關(guān)[6]。

(a)850 ℃

2.2 Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程

Q460鋼在變形溫度為850，950，1 050，1 150 ℃，應(yīng)變速率為0.01，0.05，0.10，1.00，5.00 s-1時會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，Q460鋼的臨界應(yīng)變εc和峰值應(yīng)變εp存在如下關(guān)系[7]：

εc=0.83εp。

(1)

在熱壓縮變形過程中，如果Q460鋼已經(jīng)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εs、εp和臨界應(yīng)力σc可表示為[8]：

εp=K1Zm1，

(2)

εs=K2Zm2，

(3)

σc=K3Zm3。

(4)

式中：Kn(n=1，2，3)和mn(n=1，2，3)為與Q460鋼有關(guān)的材料常數(shù)。

圖3為Q460鋼的熱壓縮曲線關(guān)系圖，通過對曲線進(jìn)行線性擬合后可得出Kn(n=1，2，3)和mn(n=1，2，3)[9]，將Kn(n=1，2，3)和mn(n=1，2，3)數(shù)值代入公式(2)～(4)，可得：

(a)ln Z-ln εp

εp=0.002 078Z0.190 6，

(5)

εs=0.029 65Z0.104 4，

(6)

σc=2.652Z0.162 3。

(7)

圖4為Q460鋼的加工硬化率θ與應(yīng)力σ關(guān)系曲線，其中θ=dσ/dε。當(dāng)變形溫度為850，950，1 050，1 150 ℃時，Q460鋼的加工硬化率θ會隨著應(yīng)力增加而逐漸減小；在相同應(yīng)力下，應(yīng)變速率越大則加工硬化率越大；此外，當(dāng)變形溫度為950 ℃時，應(yīng)變速率0.01，0.05，0.10 s-1時會產(chǎn)生飽和應(yīng)力，在變形溫度為1 050 ℃和1 150 ℃時，低應(yīng)變速率下同樣會產(chǎn)生飽和應(yīng)力，這主要是因為Q460鋼熱變形過程中會發(fā)生動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶所致[10-11]。

(a)850 ℃

表2為Q460鋼的飽和應(yīng)力σs值統(tǒng)計結(jié)果。由表2可知，隨著應(yīng)變速率增加，相同變形溫度下Q460鋼的飽和應(yīng)力σs值逐漸增大，“—”表示不存在飽和應(yīng)力。

表2 Q460鋼的飽和應(yīng)力σs值統(tǒng)計結(jié)果

引入Zener-Hollomon因子Z來進(jìn)一步研究Q460鋼的熱壓縮變形行為，Z的表達(dá)式為[12]：

(8)

由式(8)可以繪制Q460鋼熱變形過程中的Z因子與飽和應(yīng)力σs和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力σss關(guān)系曲線，如圖5所示。

(a)ln Z-ln[sin h(ασs)]

變形溫度為850，950，1 050，1 150 ℃，應(yīng)變速率為0.01，0.05，0.10，1.00,5.00 s-1時，Q460鋼的飽和應(yīng)力σs和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力σss的動力學(xué)方程為：

Z=9.165×1 011[sinh(0.007 69σs)]5.427 9，

(9)

σs=130.04sinh-1(1.091×10-12Z)0.184 2，

(10)

σss=130.04sinh-1(9.039×10-13Z)0.218 1。

(11)

2.3 動態(tài)再結(jié)晶運動學(xué)方程

在Q460鋼熱壓縮過程中，動態(tài)再結(jié)晶運動學(xué)方程可以表征動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的程度，在一定時間內(nèi)Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶體積百分?jǐn)?shù)XDRX可用下式求解[13]：

加強地質(zhì)研究，核查有利區(qū)域。青海油田在澀北剩余氣富集區(qū)部井。針對氣藏水侵面積擴大、水淹狀況復(fù)雜、剩余氣分布規(guī)律認(rèn)識不清等問題，通過開展氣藏精細(xì)描述，逐層研究水侵區(qū)域過路新鉆井電性變化特征，及時跟蹤氣藏動態(tài)，開展生產(chǎn)歷史擬合等方式，摸排剩余氣富集區(qū)。

(12)

(13)

式中：kd和md為與Q460鋼有關(guān)的常數(shù)；ε0.5為材料發(fā)生50%動態(tài)再結(jié)晶時對應(yīng)的應(yīng)變；A1為應(yīng)變速率指數(shù)；QDRX為動態(tài)再結(jié)晶激活能，J/mol。此外，XDRX還可以表示為[14]：

(14)

式中：σWH為加工硬化部分應(yīng)力的外延，MPa。根據(jù)圖2確定σWH并結(jié)合飽和應(yīng)力σs和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力σss值，將XDRX=50%代入式(14)即可求得Q460鋼在發(fā)生50%動態(tài)再結(jié)晶時的瞬態(tài)流變應(yīng)力，由此可以對應(yīng)得到此時的ε0.5，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 砂型鑄造Q460鋼的ε0.5

對式(13)兩邊取對數(shù)，可得：

(15)

(16)

圖7 Q460鋼的ln[-ln(1-XDRX)]與關(guān)系圖

(17)

圖8為Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線。不同熱變形條件下Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)曲線都大體呈“S”型，在如變形溫度為1 150 ℃時，應(yīng)變速率0.01 s-1和0.10 s-1時的臨界應(yīng)變分別為0.09和0.14；而當(dāng)變形溫度為950 ℃時，應(yīng)變速率0.01 s-1和0.10 s-1時的臨界應(yīng)變分別為0.17和0.26。可見，Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)會隨著變形溫度和變形速率的不同而發(fā)生變化，要想獲得具有較高體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)再結(jié)晶，在實際熱加工過程中可以選擇高溫和低應(yīng)變速率，這主要是因為此時Q460鋼會具有較小的Z，相應(yīng)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變更小[16-18]。

(a)1 150 ℃

2.4 動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸方程

Q460鋼熱變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶晶粒大小DDRX可表示為[19]：

(18)

表4 Q460鋼的DDRX值

由此，砂型鑄造Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶尺寸可以表示為：

DDRX=453.05Z-0.083 6。

(19)

在對高層建筑用Q460鋼進(jìn)行熱加工過程中，可以通過改變變形溫度和變形速率來改變Z值，從而影響Q460鋼的再結(jié)晶晶粒尺寸，通過微觀組織調(diào)控來實現(xiàn)高強塑性建筑用鋼的生產(chǎn)。

3 結(jié)論

1)Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程為：

σs=130.04sinh-1(1.091×10-12Z)0.184 2，

σss=130.04sinh-1(9.039×10-13Z)0.218 1。

2)砂型鑄造Q460鋼動態(tài)再結(jié)晶運動學(xué)方程為：

3)砂型鑄造Q460鋼動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸方程為：

DDRX=453.05Z-0.083 6。

4)Q460鋼的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)會隨著變形溫度和變形速率的不同而發(fā)生變化，要想獲得具有較高體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)再結(jié)晶，在實際熱加工過程中可以選擇高溫和低應(yīng)變速率。可以通過改變變形溫度和變形速率來改變Z值，從而影響Q460鋼的再結(jié)晶晶粒尺寸。