（材料加工工程专业论文）p91材料高温流动性与晶粒组织演化模型的研究.pdf

摘要 为了寻求能很好在高温恶劣环境下工作的耐热钢，研究学者们研制出不同化学成分 的耐热钢，其中性能较好的当属p 9 1 t 9 1 耐热合金钢，它是高温部件首选材料。p 9 1 耐 热合金钢主要用于锅炉厚壁长管件以及蒸汽管道、汽轮转子等耐高温场所。国外已成功 大批量生产p 9 1 大口径厚壁管，而我国在这一方面研究甚少，生产此类钢管的能力不足。 因而有必要对p 9 1 材料的基础数据以及微观组织演化规律进行研究，掌握其高温下的变 形规律，为实际垂直挤压生产大口径厚壁长管件提供理论依据。 本文对p 9 1 耐热钢利用热模拟试验机g l e e b l e 3 5 0 0 进行单项热压缩实验，对实 验数据进行分析，得到了p 9 1 的高温流动应力应变曲线，并进行了金相实验，分析实 验数据以及金相实验结果，将该流动应力应变曲线作为数值模拟中材料的基础参数。 分析实验数据，总结出，在高温低应变速率下，p 9 1 耐热钢越容易发生动态再结晶。将 热模拟实验数据进行统计，线性回归分析得到了p 9 1 材料的高温动态再结晶数学模型。 对p 9 1 材料进行晶粒长大实验，通过金相实验以及晶粒尺寸的评定，得到了不同温 度不同保温下的晶粒长大数据。对晶粒长大实验得到的晶粒尺寸统计回归，得到了p 9 1 材料的高温晶粒长大数学模型公式。 在有限元分析软件d e f o r m 中建立p 9 1 合金钢材料模型，导入其动态再结晶以及晶 粒长大数学公式，模拟单项热压缩实验以及热挤压厚壁管的缩比实验。检验再结晶以及 晶粒长大数学模型的准确性，同时得到了在不同挤压比下，平均晶粒尺寸的长大规律， 即大的挤压比能够使组织得到细化同时对厚壁管的力学性能也有很大的提高。结合力学 性能、组织性能以及挤压管表面质量综合考虑，选择挤压比在5 7 范围内的进行挤压 厚壁管是合理的。通过对挤压过程挤压比的影响规律分析，为实际挤压厚壁管提供了理 论依据。 关键词：p 9 1 耐热钢单项热压缩动态再结晶晶粒长大数值模拟 a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h eh e a tr e s i s t a n ts t e e lu s e di 1 1t h ee n v i r o n m e n to fh i g ht e m p e r a t u r e ， r e s e a r c h e r sh a v ed e v e l o p e dh e a tr e s i s t a n ts t e e lo fd i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，t h eb e s to n e i sp 9 1 | t 9 1w h i c ht h ep r e f e r e n t i a lm a t e r i a lu s e da sh i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n t s i t ? sm a i n l y u s e df o r l o n gt h i c k - w a l l e dt u b e b o i l e r sa n ds t e a mp i p e s ，t u r b i n er o t o r sa n do t h e r h i g h t e m p e r a t u r e s i t e s i no v e r s e a s ，p 91 l a r g ed i a m e t e r t h i c k - w a l l e dt u b eh a sb e e n m a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y , b u tt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo fo u rc o u n t r yi si n s u f f i c i e n t ，a n dh a s v e r yl i t t l er e s e a r c ht ot h i sm a t e r i a l i ti sn e c e s s a r y t os t u d yt h eb a s i cd a t aa n dm i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no fp 91m a t e r i a l s ，t h e n , m a s t e rt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ru n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r e t op r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o rt h ea c t u a lv e r t i c a le x t r u s i o np r o d u c t i o no fl a r g ed i a m e t e rt l l i c k o w a l ll o n gp i p e d u r i n gt h er e s e a r c hw eh a dat h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb yg l e e b l e 一35 0 0t h e r m a l s i m u l a t i o nt e s tm a c h i n e ，g o tt h eh i g l lt e m p e r a t u r ef l o ws t r a i n s t r e s sc u l v e so fp 91m a t e r i a l ， a n da n a l y z e dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dt h em e t a l l o g r a p h i ce x p e r i m e n t s ，t h eh i g ht e m p e r a t u r e f l o ws t r a i n - s t r e s sw a su s e da sab a s i cp a r a m e t e ro ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n u s i n gl i n e a r r e g r e s s i o nm e t h o dt o d e a lw i t ht h e r m a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t a , o b t a i n e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd y n a m i cr e e r y s t a l l i z a t i o np 91m a t e r i a l 1 1 1 er e s u l ti st h a ta th i g h t e m p e r a t u r eo rl o ws t r a i nr a t e s ，d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no f p 91h e a t - r e s i s t a n ts t e e lo c c u r r e d m o r ec o m p l e t e l y t h r o u g hg r a i ng r o w t he x p e r i m e n t so fp 9 1m a t e r i a l sa n dm e t a l l o g r a p h i ce x p e r i m e n t s ， o b t a i n e dt h eg r a i ng r o w t hd a t ai nt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dh e a tp r e s e r v a t i o nt i m e a n a l y s e t h ed a t ab yt h em e t h o do fr e g r e s s i o na n do b t a i n e dg r a i ng r o w t hm a t h e m a t i c a lm o d e l o fp 91m a t e r i a l s i m p o r t e dt h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na n dg r a i ng r o w t hm a t h e m a t i c a lm o d e li n t ot h e s o f t w a r ed e f o r i l l - 3 du s e df o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s i m u l a t e dt h eh o tc o m p r e s s i o n d e f o r m a t i o na n ds c a l e d o w ne x t r u d e dp 91 t h er e s u l tv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo fd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o na n dg r a i ng r o w t hm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dg o tt h el a wo fa v e r a g eg r a i ns i z e i nt h ed i f f e r e n te x t r u s i o nr a t i o n l er e g u l a ri st h a tt h ee x t r u s i o nr a t i oi sb i g g e r ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h i c kw a l lp i p ei sb e t t e r i ti ss h o w nt h a te x t r u s i o nr a t i ow i t h i nt h es c o p eo f5 7 i sr e a s o n a b l e ，a n ds c a l e d o w ne x t r u s i o np r o c e s st e s tc a np r o v i d et h eb a s i sf o rp r a c t i c a l p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：p 9 1h e a t - r e s i s t a n ts t e e l ，h o tc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n ，g r a i ng r o w t h ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 第一章绪论 引言 第一章绪论 中国电力工业在“十二五 规划研究报告中指出：“十二五期间，我国大口径厚壁 无缝钢管年市场需求量在2 0 万吨以上。要想提升重大装备制造水平，就必须将重大基 础制造装备与先进工艺技术紧密结合起来。大型铸、锻、焊件的关键制造工艺对于重大 基础制造装备以及发挥基础制造装备作用的意义是无可厚非的，大型关键零部件以及大 型功能部件都需要性能高、质量好的铸、锻、焊件。目前国内外大型铸、锻、焊件生产 制造的整体水平，有很大的差距，部分产品国内仍无法生产，只能靠进口。目前，发到 国家在重型制造技术上对我国实施保密政策，甚至严格限制对我国出口。而在未来的二 十年中，国内能源、石油、电力、冶金、化工、造船、铁道车辆、航空、军工等各行业 对大型铸、锻件产品的需求会非常旺盛，同时也给中国的大型铸、锻、焊件行业带来巨 大的机遇和挑战，而重大装备的制造对大型铸、锻、焊件技术提升的需求更加迫切。这 在一定程度上已经严重制约着我国国民经济的发展。因此，加大对重型装备制造技术的 自主研发对我国整体水平的提高具有重大意义。 1 1 课题研究的背景 以超( 超) 临界火电、第三代核电发电设备急需解决的耐高温高压大口径厚壁钢管 为例，国内只能采用自由锻配合镗孔加工工艺少量提供这类产品，无法满足当前国内电 力发展对大口径厚壁长管件的需求，缺口部分只能以高昂的价格进口，受制于人。为确 保我国能源安全，不仅需要开发“3 6 万吨黑色金属垂直挤压机 这种重大基础制造装 备，同时需要研究与其配套的先进工艺技术，即“大口径厚壁长管件挤压工艺与质量控 制技术 。工艺是现实生产力的重要方面，大口径厚壁无缝钢管挤压工艺与质量控制技 术作为工艺方面的关键共性技术，其立项必要性在于： ( 1 ) 打破国外的技术垄断，实现挤压技术的跨越发展 上世纪2 0 年代后，大型挤压技术有了长足发展。火箭、核工业等的大跨步发展， 带动了高强钢、不锈钢等挤压管材和型材的市场，最大产品的单重达到十余吨。这些材 料由于强度高、变形抗力大、塑性低，因此必须采用热挤压法。美国掌握了热挤压直径 1 2 0 0 m m 、长度达1 2 0 0 0 m m 、壁厚为1 9 1 5 2 m m 的碳素钢和合金钢钢管技术，但拒绝向我 国转让技术。而目f i 我们国家只能生产0 7 0 2 1 9 m m 、壁厚1 0 。3 0 m m 的钢管。因此对大口 径厚壁无缝钢管的挤压工艺技术进行开发研究，可以打破国外的技术垄断，实现国内挤 压技术的跨越发展。 第一章绪论 2 0 0 9 年，在内蒙古北方重工业集团有限公司成功建设了3 6 万吨黑色金属立式挤压 机生产设备，此吨位挤压机是世界之最。在投建过程中，与其相配套的先进挤压工艺的 研究也就此展开。本文针对国家重大专项：大型铸、锻、焊件制造工艺大口径厚壁长 管件挤压工艺与质量控制技术中的子课题- - p 9 1 钢厚壁管的高温力学性能以及挤压过程 中的微观组织变化进行研究。图1 - 1 ( a ) 、( b ) 分别为北方工业集团的3 6 力吨垂直挤压 机和1 5 万吨的镦粗穿孔机。 ( a ) 3 6 万吨垂式挤压机设备( b ) 1 5 万吨镦粗穿孔机设备 ( a ) 3 6 ，0 0 0t o n sd o w n t y p ee x t r u d e r( b ) 1 5 ，0 0 0t o n su p s e t t i n gp u n c h 图1 1 北方工业3 6 0 工程挤压机和穿孔机设备安装现场 f i g u r e 1 - 13 6 0e n g i n e e r i n ge q u i p m e n ti n s t a l l a t i o ns i t en o r t hi n d u s t r i a l ( 2 ) 挤压工艺技术是发挥设备能力、保证产品质量、提高生产效率的关键 装备是能够完成一定功能的人造工具，装备或生产线建成以后，仅具备了生产的客 观物质基础。工艺技术则是利用这些客观物质基础，以合理的成本生产出合格的产品。 因此，大口径厚壁无缝钢管的垂直挤压工艺技术，是3 6 万吨大型垂直挤压机能否真正 转化为现实生产力的关键。 ( 3 ) 挤压工艺技术研究为我国挤压技术的进一步发展奠定基础 该项技术的研究开发，将极大的深化我国对大口径厚壁无缝钢管挤压工艺技术的认 识，掌握大口径厚壁钢管挤压技术的制高点，奠定集成创新和再创新的基础，不断推动 我国挤压技术的进步与发展。 1 2p t 9 1 耐热合金钢的发展前景 我国将大力发展火电事业，提高火电机组的装机量，满足高效率、高参数的超临界 以及超( 超) 临界火电机组的使用要求。在近些年内，p 9 1 钢的使用量将实现大跨越发 展【羽。 ( 1 ) p 9 1 钢是完成主蒸汽管温度转型的最佳耐热钢 目前常规的超临界机组的主蒸汽参数为2 4 1 m p a ，5 3 8 5 6 6 ，5 6 6 5 6 6 ，5 6 6 5 6 6 5 6 6 。5 3 8 和5 6 6 对应的锅炉出口温度分别为5 4 1 、5 7 1 ，这时候过热 器和再热器等传热管的高温段受热管壁温最高可达到5 9 3 和6 3 5 。p 9 1 合金钢最高 第一章绪论 能够承受的管道温度接近6 5 0 ，因此p 9 1 耐热钢是实现主蒸汽温度管道新发展的最佳 钢材。 ( 2 ) p 9 1 钢是用于替换发电机组高温厚壁管道钢种中最有潜力的材料 p 9 1 钢具有力学性能优异，耐高温、抗腐蚀等特点，是发电机组高温件的首选替换 钢种。用于高温的过热器以及再热器，其使用温度可达5 4 0 左右，这类部件很容易产 生蠕变、针孔以及裂纹等严重缺陷，而且近几年发现的集箱和主蒸汽管道表面产生严重 的热疲劳损伤已是普遍问题。目前找到的最好解决办法就是用p 9 1 耐热钢作为部件材 料，其不仅具有优良的蠕变断裂强度，而且力学性能优异，可以降低这些高温件在适用 过程中的疲劳破坏的发生率以及热应力，使高温件能够更好的为发电机组服役。 1 3 国内外研究现状及发展 目前，我国大力发展核电、能源、机械等领域，而这一切都与耐热钢息息相关。耐 热钢的组织性能的好坏是这些领域能否实现突破的关键因素。因此，耐热合金钢的组织、 力学等性能便成为世界关注的焦点。近些年，面对同益突出的环境污染、能源短缺等问 题，超临界火力发电行业面临着严峻挑战。众所周知，要想解决热动力难题，必须要使 热效率有所提高，为了增大热效率，世界各国都在努力使火力发电组参数正由亚临界参 数( 1 6 7 7 m p a 、5 4 0 ) 向超临界参数( 2 5 0 m p a 、5 4 0 5 6 6 ：0 3 0 0 m p a 、5 8 0 6 1 0 ) 及其以上不断发展。火力发电厂通过提高热效率来解决热动力问题，而提高热效率的办 法主要通过各种各样的先进技术、工艺手段来提高耐热钢的蒸汽使用温度。为此世界各 国都在积极展开新型耐热合金钢的研究与开发 6 - 1 6 】。 耐热钢长期处于高温高压的工作状态，厚壁管内部的组织性能也发生相应的变化， 因此对用于超高临界蒸汽机组的耐热钢提出优异的性能要求0 7 - 2 5 l ： ( 1 ) 常温下优异的力学性能。要求耐热钢具有很强的抗拉强度和韧性。 ( 2 ) 化学稳定性能。要求耐热钢在高温下具有良好的抗氧化、耐腐蚀性能。 ( 3 ) 便于加工的工艺性能。要求耐热钢具有良好的焊接性、以及在机加工以及热变 形过程中易于加工。 ( 4 ) 良好的物理性能。要求耐热钢导热性好，同时要求其热膨胀系数较低。 ( 5 ) 良好的经济性能。要求耐热钢在工作环境下性能稳定的前提下，价格上相对合 理。 1 9 7 4 年，美国橡树岭国家实验室( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 与美国燃烧工程公 司( a m e r i c a nc o m b u s t i o ne n g i n e e r i n gc o m p a n y ) 合作，成功开发出了著名的t p 9 1 钢，现 如今p 9 1 耐热合会钢已被世界各国公认并且广泛应用【l 弓】。 目前国内研发的含c r 量为9 1 2 的耐热钢分为铁素体和奥氏体【i 捌。奥氏体9 c r 耐热钢优点为耐蚀性能好，具有优良的高温强度；缺点为该钢种市场价格较高，导热性 能较差，在焊接过程中，异种钢焊接接头易出现焊接缺陷。因此在保证蒸汽机组安全运 行条件下，锅炉厚壁长管件、蒸汽管道以及汽轮转子等均采用铁素体耐热钢，而尽量避 免使用奥氏体钢。通过对比各个国家的发电机组的发展与趋势，总结出耐热钢的发展方 第帝绪论 向【2 6 - 2 9 1 ： 1 ) 高c r 耐热钢将面向多元化发展，要想获得高性能的耐热合金钢，主要通过添加 w 或者减少m o 等合会元素的方法。 2 ) 将t 9 1 p 9 1 作为最有前途的用于火力发电机组高温部件的新材料，在不远的将 来全部替代奥氏体不锈钢。 3 ) 今后的研究重点仍然放在耐热合命钢异种钢焊接接头的问题上。 4 ) 持续生产大量高c r 耐热钢薄壁管，用于替换火力发电机组热交换厚壁管道。 1 4 目前国内外研究所存在的问题 国内外对t p 9 1 耐热钢也有很多研究了，但是大多是针对新型耐热钢的蠕变特性以 及t p 9 1 蒸汽管道的焊接工艺以及方法的研究。朱丽慧，赵钦新【3 0 】等人采用受约束蠕变 孔洞生长模型估算了p 9 1 钢在高温服役条件下的蠕变断裂寿命。张艳红，李宏强，徐昀 【3 i 】针对p 9 1 钢主蒸汽管道焊缝金相缺陷形态及其形成原因进行了探讨。a h y a g h i t h h y d e , a a b e c k e r 3 2 】等针对p 9 1 管道的焊接部位进行了残余应力的数值模拟，提出了管 道直径对残余应力的影响。a j i tk r o y , p a r l l ( a jk u m a r , d e b a j y o t im a i t r a 3 3 j 等学者针对不 同硅含量的p 9 1 等级钢动态应变时效的研究。北京机电研究所曾志朋，金泉林】等人对 大型锻件的锻造工艺进行了优化以及对有限元软件d e f o r m 进行了二次开发，给出了 热锻过程中的本构方程以及动态再结晶模型，对预测晶粒尺寸以及分析晶体缺陷有着深 刻的意义。但是针对p 9 1 合金钢在热挤压过程中的组织演化以及晶粒长大规律的研究报 道甚少。清华大学王雪凤，吴任东，邓晨曦，颜永年【3 5 】等人通过热模拟实验掌握了p 9 1 合金 钢的基础数据，得出流变应力基于z e n e r - h o l l o m o n 参数的函数关系，建立了p 9 1 高温流 变应力的数学模型。但是没有进一步对组织演化过程进行数值模拟，p 9 1 耐热钢的组织 性能对挤压工艺影响的研究尚未填补。近些年来，也有不少专家学者如s e l l a r 3 6 - 47 】等人 针对不同钢种的热变形过程中晶粒长大规律进行研究，但针对p 9 1 耐热钢的晶粒长大规 律的研究还没有报道出来。在热加工过程中不仅涉及到动态再结晶过程，同时也涉及到 晶粒长大的过程。动态再结晶完成后的晶粒处于亚稳态，在温度还未降下来之前会持续 长大。因此工件在热加工过程的加热、保温以及冷却过程中，伴随着晶粒长大的过程。 t p 9 l 合金钢在热挤压变形过程中的微观组织的变化对大口径厚壁管最终成型件的表面 质量以及微观组织和机械性能都有很重要的影响，因此对t p 9 1 的微观组织的研究对于 挤压工艺的设定和质量控制有着重大的意义。 1 5 课题研究的必要性和意义： 上世纪2 0 年代以后，大型挤压技术有了长足的进步与发展。第二次世界大战后， 由于火箭、导弹、船舶、航空、空i 只j 技术和核工业的大力发展，出现了黑色会属、高强 度合余钢、以及不锈钢等特殊会属的挤压管材和型材，最大产品的单重就达到十余吨。 这些特殊的材料由于其强度高、变形抗力大而塑性低，因此只能采用热挤压法。美国已 4 第一章绪论 经掌握了热挤压直径1 2 0 0 r a m 、长度达1 2 m 、壁厚为1 8 8 1 5 2 m m 的碳素结构钢和合金 钢钢管技术，但拒绝向我国转让。而目f j 我国仅能生产囝7 0 2 1 9 m m 、壁厚1 0 3 0 m m 的 钢管，没有掌握新材料p 9 1 的各种性能、热变形下的组织演化规律以及相应的挤压工艺， 因此不能批量生产大口径厚壁管件。为了打破国外的技术垄断，实现挤压技术的跨越发 展，对大口径厚壁无缝钢管挤压工艺技术进行开发和研究是势在必行。 ( 1 ) p 9 1 合金钢基础材料数据的获取 以典型蒸汽管道用钢p 9 1 为例，对p 9 1 耐热合金钢进行单向热压缩实验，采集应力 应变数据，绘制应力应变曲线。得到的p 9 1 高温力学性能演化规律，为针对p 9 1 材料 的垂直挤压数值模拟提供材料数据库。 ( 2 ) 总结p 9 1 合金钢的动态再结晶规律 针对p 9 1 耐热合金钢的挤压过程中组织演化规律国内研究甚少。通过单向高温热压 缩实验和金相分析，通过线性回归得到了p 9 1 合金钢的动态再结晶演化规律，为动态再 结晶模型的建立提供了基础数据。 ( 3 ) 研究不同形变参数对钢管组织性能的影响规律 针对不同的变形量以及变形条件，摸索立式挤压下的变形量、变形温度、变形速率 等因素对挤压管材组织性能的影响规律。通过缩比试验，得到不同温度、不同挤压速度 对管材微观组织规律的影响，为后续挤压过程的数值模拟以及为合理制定挤压工艺参数 提供依据。 ( 4 ) 为课题的顺利开展奠定基础 本课题来源于国家科技重大专项“大型铸、锻、焊件制造工艺大口径厚壁长管件挤 压工艺与质量控制技术”的子课题。本文的研究内容，将为该课题其他方面能够顺利研 究做铺垫。 1 6 动态再结晶过程中的软化机制 金属件在热塑性变形过程中，由于回复和再结晶过程的进行，金属可能发生软化。 这种情况下，我们就把伴随的回复过程和再结晶过程称为动态回复和动态再结晶。 1 6 1 动态回复理论 金属件在热加工过程中，形变使位错大量增殖和积累，并且热激活能使得异号位错 对抵消、小角度晶界迁移、胞壁锋锐形成有规则的亚晶、亚晶的合并等过程的发生，这 些过程的进行都是由于外加应力提供了附加的驱动力才以更快的速度进行。亦在加工硬 化的同时伴随着动态回复的发生。在金属热变形过程中，这两类相反过程的此消彼长的 程度主要在于受热变形金属件的变形量、变形速率、变形温度等因素。然后对于具有高 层错能的材料来说，容易发生位错的交滑移和攀移，所以热加工过程容易发生动态回复， 甚至动态回复过程可以与应变硬化保持平衡。此时在真应力一应变曲线上出现的流变应 力将成为不随应变而变的稳态流变应力。在未达到稳念阶段时，由于形变硬化的速度大 于动态回复的速度，因此位错密度随着应变增加而增加，亚晶也随着发展，同时晶粒也 第一章绪论 在伸长；在达到稳念流变阶段时，晶粒仍会随着流变的方向伸长，然而位错密度则保持 不变，动态回复机制所形成的亚晶为等轴晶，且其尺寸基本不变。 在应变速率不变的前提下，随着形变温度的增加，动态回复过程进行的越快，因此 稳态流变阶段的位错密度会越来越低，亚晶粒尺寸也会相当大。在保持同一形变温度下， 随着应变速率的越来越低，在位错增殖积累条件相同的情况下，会有越来越多的时间进 行动态回复，所以当处于稳态流变阶段时，被热加工金属的位错密度会越来越低，亚晶 尺寸也会比较大。反则，在形变温度较低或是应变速率较高的条件下，形变金属处于稳 态阶段时的位错密度相对较高，并且亚晶粒的尺寸亦会相对较小。对于层错能较低或中 等的金属材料，其动态回复过程的发生则不像具有高层错能材料那么容易，动态回复往 往很难同时抵消形变时大量位错的增殖，当位错量积累到一定程度时，会促发再结晶形 核的产生，即是动态再结晶的发生。 1 6 2 动态再结晶理论 对于低的或者中等层错能的金属来说，由于其动态回复进程较慢，因此在热加工时， 动态回复与位错增殖积累不能同时抵消，当形变量达到某一临界值时，便会发生动态再 结晶。动态再结晶发生时，因再结晶核心的大角度迁移，大量位错被消除，此时，软化 过程占主导地位，此时的流变应力出现下降趋势，真应力一应变曲线有峰值出现。材料 在继续形变时，伴随着再结晶形核和长大过程的发生，新晶粒也承受形变，即硬化因素 又开始增加。当新晶粒的形变达到一定程度后，又发生新一轮的动态再结晶过程。在这 种复杂的硬化和软化相互叠加下，应力一应变曲线可能周期性的出现峰值。因此，材料 在发生动态再结晶过程时，真应力一应变曲线可能出现单峰也有可能出现多峰现象。形 变温度较低或者应变速率较大时，应力一应变曲线上会出现一个宽阔型的单峰；当形变 温度较高或者应变速率较小时，真实应力一应变曲线会出现多峰现象。如图1 - 2 所示， 在低的变形温度或较高的应变速率下，动态再结晶速度比较慢，第一轮再结晶尚未完成 时，第二轮再结晶已经开始，所以应力一应变曲线出现第一个峰后，材料仍处于部分再 结晶，应力一应变曲线出现平滑趋势；相反在高的变形温度或者低的应变速率下，动态 再结晶速度较快，等第一轮再结晶结束后第二轮才开始，周期性重复，因此在应力一应 变曲线上出现多峰的现象【4 弘5 2 j 。 变形程度 图1 2 发生动态再结晶的o - 吨曲线图 f i g 1 - 2s t r e s s - s t r a i nc u r v eo fo c c u r r i n gd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n 6 翼斗a 第一帝绪论 1 6 3 再结晶过程中的热塑性本构方程 近些年，国内外对热变形过程中的微观组织模拟方面的研究越来越多。在选择材料 模型方面，除了少数选择新的材料模型外，绝大部分都和当初r k o p p 所建立的经验性 方程大同小异。研究方法上，大部分都是模拟简单的镦粗变形过程采集数据，然后拟合 实验曲线获得材料参数值，最后再将这些参数值输入到含有这些参数的经验方程的有限 元软件中进行计算。最后从被压缩试样横截面上取几个点进行平均晶粒度的计算，将计 算值与试验值对比。绝大多数人都采用阿弗拉密( a v r a m i ) 方程，用来模拟金属热变形 过程中的动态再结晶以及晶粒长大过程【5 3 螂】。 动态再结晶的体积分数及晶粒度演化模型如下列方程式： r p = k 、z l乞= 也o i= 屯z 几 d 0 2 时，上式可写成 d 。= c 2 t( 1 - 8 ) d “一d 0 4 = c 2 f( 1 - 9 ) d = c f f “ ( 1 - 1 0 ) 常数n 称为晶粒长大常数，在上面的理论分析，n = 2 。 大多数材料的晶粒长大测量的n 值都不精确地等于2 。实测的n 值与理论n 值( n = 2 ) 的偏离可能有如下两方面原因引起的：( 1 ) 导出晶粒长大的理论式子是假设晶界迁移率是 常数，即是晶界移动速度与驱动压力成正比。但是极其微小的杂质原子对晶界就有很大 的拖拽作用，除非在非常低或者非常高的晶界移动速度下，否则晶界迁移率是随着晶界 移动速度变化的。即使是非常纯的会属，在高温时晶界的结构和晶界的迁移率也会改变 的。( 2 ) 有些经验分析证明，晶粒长大驱动力随晶粒长大而减小，这可能是因为在固溶体 中存在不易扩散的溶质原子的丛集，它像存在的第二相粒子一样对晶界起钉扎作用。 在刚完成一次再结晶的晶粒尺寸分柿的宽度由原来的形变量决定，这种分和特征在 以后晶粒正常长大时保持下去。原来的形变量越大，再结晶晶粒尺寸均匀度越高，即尺 寸分和的宽度越窄。晶粒尺寸分和越不均匀，必然有比较多的晶面面积小的晶粒，这类 晶粒更易于收缩，因而加速晶粒长大。这样，晶粒长大动力学直接和一次再结晶晶粒尺 寸均匀度也和原来形变程度有关。本文将会具体研究p 9 1 耐热合会钢的晶粒长大规律。 第二章p 9 1 合会钢的热模拟实验j 分析 第二章1 3 9 1 合金钢的热模拟实验与分析 为了研究p 9 1 合金钢的高温力学性能，获得其高温热压缩下的流动应力一应变曲线 以及晶粒组织演化数学模型，进而对p 9 1 材料进行单向热压缩实验。p 9 1 耐热合金钢在 高温压缩过程中，不仅会发生形变，同时还伴随着微观组织的变化，组织的变化主要以 再结晶以及晶粒长大为主要形式。通过热模拟实验获得材料的基础数据，研究其内部组 织的演化规律，为立式垂直挤压大口径厚壁管的数值模拟工艺参数设计以及组织性能控 制提供材料基础数据和可靠的理论依据。 2 1p 9 1 合金钢的热模拟实验 本文在g l e e b l e 3 5 0 0 热模拟试验机上对p 9 1 合金钢试样进行了单向热压缩实验。利 用o r i g i n 数据分析软件将信号反馈系统反馈回的应力、应变数据绘成p 9 1 合金钢的高温 流动应力应变曲线，再用线性回归方法分析数据，得到p 9 1 合金钢的动态再结晶规律。 同时对不同变形条件下的压缩试样进行金相实验，得出变形系数对组织性能的影响规 律。 2 1 1 热模拟实验条件及设计方案 实验所用的p 9 1 铁素体耐热钢是通过电渣重熔冶炼方法以及球化处理后得到的，形 状为棒形，棒料尺寸为如图2 1 所示。试样尺寸为0 1 0 x 1 5 m m ，取自a 2 5 0 x 1 5 m m 的棒料， 见示意图2 2 所示，通过线切割方法加工成试样，试样的轴向为材料的流动方向。 图2 1 铸钢棒料实物照片图2 2 试样加工取样示意图 f i g 2 la s - e a s ts t i c ko f p 9 1m a t e r i a lf i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f s a m p l ep r o c e s s i n g 第二章p 9 1 含会钢的热模拟实验j 分析 ( a ) 热模拟试验机整机图 ( a ) t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s tm a c h i n e 嘞单向压缩实验装置 ( b ) o n e - w a yc o m p r e s s i o nt e s td e v i c e ( c ) 热模拟试验机控制面板 ( d ) 热模拟试验机操作机 ( c ) c o n t r o lp a n e lo ft h e r m a ls i m u l a t i o nt e s tm a c h i n e( d ) m a n i p u l a t o ro ft h e r m a ls i m u l a t i o nt e s tm a c h i n e 图2 3g l e e b l e 3 5 0 0 热模拟试验机 f i g 2 - 3t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s tm a c h i n eo fg l e e b l e - 3 5 0 0 s t a i n l e s s s l e e i s t a i n l e s s s l e e i c l a m p 图2 - 4 高温单向热压缩实验示意图 f i g 2 _ 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t l o 第一：章p 9 1 合会钢的热模拟实验。j 分析 表2 1p 9 1 合金钢的化学成分( ) t a b l e2 lt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nc o n t e n to fp 91 m a t e r i a l ( ) 实验设备为g l e e b l e 3 5 0 0 热模拟试验机，实验设备实物图见图2 - 3 ( a ) 、( b ) ，图2 4 为单向热压缩过程示意图。p 9 1 材料的化学式为1 0 c r 9 m 0 1 v n b ，材料的化学成分见表 2 1 。p 9 1 是在9 c r l m o 的基础上添加了v 、n b 、n 等合金化元素，从而在其晶粒内和晶 界形成了大量复杂形状的n b ( c ，n ) 、v ( c ，n ) ，它在高温塑性变形时比球状析出物更能有 效地阻碍位错的运动。此外，翼状析出物使捕获位错的几率增加了，从而提高了材料的 抗蠕变性能和持久强度，同时保持了9 c r l m o 良好的抗高温腐蚀性能。除此之外，p 9 1 还具有优良的抗氧化性能及高温热强性，在相同的温度和压力条件下，p 9 1 与其它耐热 合金钢相比，钢管壁厚可以大大降低，材料也可以大量节省【6 孓6 9 1 。 ，埔 6 i j ，l i x ( j fj 1rf 1 “ 01 3 、1 1 x ( a ) 镦粗过程 ( a ) u p s e t t i n gp r o c e s s ( b ) 穿孔过程 ( b ) p e r f o r a t i o np r o c e s s ( c ) 挤压过程 ( c ) e x t r u s i o np r o c e s s 图2 5 工艺过程的应变速率场分布 f i g 2 - 5s t r a i nr a t ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ep r o o f s 8 二_ 第一二帝p 9 1 合会钢的热模拟实验j 分析 温 度 ( ) o 时间( 秒) 图2 6 热模拟实验工艺 f i g 2 - 6t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s tt h e m e 为确定热压缩过程中的各个应变速率，须了解大口径厚壁管在垂直挤压过程中的应 变速率的分布情况。因此对挤压过程进行数值模拟，主要包括镦粗、穿孔以及挤压三过 程。数值模拟结果见图2 5 可以看出镦粗过程结束后的等效应变速率值在0 0 1 8 o 7 3 之间；穿孔过程结束时的等效应变速率最小值为0 0 0 0 0 0 1 8 ，最大值为1 1 2 ；挤压工艺 结束后的最大最小等效应变速率值分别为4 0 、0 0 0 0 0 0 2 6 1 。因此，确定热模拟实验的变 形速率在0 0 0 1s 一5 8 一之间。设定八个不同的应变速率进行实验，分别为0 0 0 1s ， 0 o ls 一，0 0 5s 一，0 18 ，0 5s 一，l8 ，2 s 一，5 s 一。设定的应变在o 1 - - 0 7 之间。 根据成形工艺的要求，要得到优质的p 9 1 耐热合金钢厚壁管，在生产过程中应保证 p 9 1 耐热钢处于奥氏体区，即要求热模拟实验变形温度处于奥氏体再结晶温度区域内， 9 0 0 1 2 0 0 。因此热模拟实验设定了六个变形温度，9 0 0 、1 0 0 0 、1 0 5 0 、1 1 0 0 、1 1 5 0 和1 2 0 0 。实验设定的压缩量为6 = 6 0 。热模拟实验方案如图2 6 所示。 热模拟实验的具体操作过程都是为了减少试样压缩过程中产生鼓肚，保证变形过程 是均匀的。在试样的两端涂上润滑剂以减少摩擦，同时在试样两端分别放置金属钽片， 这样既可以防止试样在高温变形过程中与压头发生焊合，又可以起到润滑的作用。然后 将试样焊接好热电偶之后，将试样固定在压头中间，以4 c s 的速度将试样加热到1 2 0 0 ，保温1 0 分钟以获得分布均匀的初始奥氏体晶粒。保温过程结束后试样以l o s 的 速度降至预定的变形温度，并在设定好的的应变速率条件下压缩变形，试样变形结束后 以水冷的方式快速冷却，在整个过程中电脑会自动记录下p 9 1 试样的真应力应变曲线 以及温度的变化。 2 1 2 热模拟实验结果及分析 热模拟实验结束后，系统反馈应力应变以及温度等信号，通过数据采集及处理，得 出如图2 7 所示的在不同温度不同应变速率下变形的真实应力应变曲线。 1 2 第_ 二章p 9 1 合会钢的热模拟实验。j 分析 0 0 位 m 锄h 1 j d 02 0 4 姐h 1 0 固口n蚺i ( a ) 1 2 0 0 ( b ) 1 1 5 0 ( a ) d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s12 0 0 。c( b ) d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s1 15 0 c 0 00 2 0 4o ( c ) 1 1 0 0 q 0位04 妇l ( d ) 1 0 5 0 ( c ) d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s11 0 0 c( d ) d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s1 0 5 0 c 1 3 置=)s毪5 o口至)ssp口 一口口=一踢2甾 a口=)s”占 第一二帝p 9 1 台会钢的热模拟实验j 分析 o 舵 1 0 蛐 1 0 蚰 ( e ) 1 0 0 0 c( 0 9 0 0 ( e ) d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei si0 0 0 c( f ) d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s9 0 0 c 图2 7 相同变形温度不同应变速率下的应力应变曲线图 f i g 2 7f l o ws t r a i n - s t r e s sc u r v e si nt h es a m et e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n ts t r a i nr a t i o s 从图2 7 中可以看出曲线可分为两种类型： 第一类为加工硬化型，当应变速率较高时或者变形温度较低时，p 9 1 钢的高温流变 曲线没有明显的应力峰值，而且随应变量的增加，流变应力随之上升。在整个热变形过 程中，同时伴随着硬化和软化，应变速率越高或者变形温度较低，软化现象不明显，会 出现硬化大于软化，硬化现象占主要地位，即出现流变应力持续增加，如图2 7 中的( a ) ( f ) 中应变速率为5 s 、2 s 。的曲线比较明显，且易看出，随着应变速率的增大，达到稳态 的流变应力也增大。另一类为动态再结晶型，即应力达到峰值应力后，应力下降至稳态 值而保持不变，此时加工硬化和再结晶软化达到动态平衡，如图2