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(材料加工工程专业论文)403nb马氏体耐热不锈钢热加工工艺研究.pdf.pdf 免费下载
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、 l 蠢 j am a s t e r st h e s i si n r t r c hp nh n e s e a r c n0 n h e a t r e s i s t n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 弘 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名:嘞,武扁 ii e l 期:罗幻:) 沙忉 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流,请在下方签名;否则视为同意。) 学位论文作者签名: 签字曰期: 导师签名: 签字日期: 一 给 一 o 东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国国民经济的可持续发展以及为满足我国国防建设的战略需要,对高品质钢 材需求越来越大,特别是对动力装置需求的迅速增长,动力叶片材料市场潜力巨大。因 而,具有良好综合性能的4 0 3 n b 钢,成为叶片钢的首选材料。4 0 3 n b 属于马氏体耐热不 锈钢,主要应用于制造火电机组汽轮机的叶片。本课题开展了4 0 3 n b 钢的热加工工艺的 实验基础研究,目的是为该钢在热连轧过程中的组织性能预报提供参考。 本文对实验材料4 0 3 n b 采用高温压缩变形实验模拟热连轧过程,结合金相组织观察 分析,对该钢的高温热变形行为进行了研究。论文取得以下几方面的主要研究结果: ( 1 ) 研究了变形条件对4 0 3 n b 高温流变应力的影响规律。发现在同一变形温度,不 同的变形速率下,变形速率越高,流变应力越大,不容易发生动态再结晶;在同一应变 速率,不同变形温度条件下,变形温度越高,流变应力越低,越容易发生动态再结晶。 ( 2 ) 根据热加工图理论,以动态材料模型为基础,建立了4 0 3 n b 的热加工图。加工 图中给出了最佳的热连轧变形参数( 即变形量、变形温度和变形速率) 范围,同时也给出 了不适合热连轧加工的失稳变形区范围。 ( 3 ) 采用单道次压缩实验,研究了4 0 3 n b 的动态再结晶行为。获得了4 0 3 n b 热压缩 变形条件下的z 参数和热变形激活能q = 4 6 2 0 3 8 k j m o l 一,确定了4 0 3 n b 的流变应力方 程和动态再结晶临界应变表达式。 ( 4 ) 采用双道次压缩实验,研究了4 0 3 n b 的静念再结晶行为。绘制了4 0 3 n b 的静态 再结晶软化率曲线,获得静态再结晶激活能为q = 2 5 6 0 7 k j m o l ,建立了相应的静态再 结晶动力学模型。 ( 5 ) 根据单道次压缩实验的数据,采用o r i g i n 软件回归得出了4 0 3 n b 在应变速率为 o 5 1 0 s 、变形温度9 0 0 1 1 5 0 。c 的变形抗力模型。经检验,该模型方程显著性较好,精 度较高。 关键词:4 0 3 n b ;热加工图;动态再结晶;静态再结晶;变形抗力;热连轧 i i 一 _ :钿 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc h i n an a t i o n a le c o n o m y ,m o r ea n dm o r e h i g h q u a l i t ys t e e l sa r en e e d e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h en a t i o n a ld e f e n s es t r a t e g y e s p e c i a l l y , t h ed e m a n do fp o w e rd e v i c eg r o w sr a p i d l ya n dt h e m a r k e tp o t e n t i a lo fp o w e r b l a d em a t e r i a l si sg r e a t 、m t ht h eg o o di n t e g r a t e dp r o p e r t i e s 4 0 3 n bw i l li n e v i t a b l yb e c o m e t h ef i r s tc h o i c eo fb l a d em a t e r i a l s 4 0 3 n bi sak i n do fh e a t r e s i s t a n tm a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l - w h i c hi su s e dw i d e l yt om a n u f a c t u r et h eb l a d eo ft h es t e a mt u r b i n eo fh e a t - e n g i n eu n i t t h e e x p e r i m e n t a lb a s i cr e s e a r c ho ft h e4 0 3 n bi st h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si no r d e rt op r o v i d ea r e f e r e n c ef o rt h es i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o na n dp r o p e r t i e si n m u l t i - s t a n dt a n d e mh o tr o l l i n g i nt h i st h e s i s ,t h em u l t i - s t a n dt a n d e mh o tr o l l i n gb e h a v i o ro f4 0 3 n bh a sb e e ns t u d i e do n at h e r m o m e c h a n i c a ls i m u l a t o ra n di t sm i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no b s e r v e db ya no p t i c a l m i c r o s c o p e t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hr e s u l t sc o u l db eo b t a i n e d ( 1 ) t h ee f f e c to fd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n so nt h ef l o ws t r e s so f4 0 3 n b h a sb e e ns t u d i e d a t t h es a m ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ts t r a i nr a t e s ,w h e nt h es t r a i nr a t ei sh i g h e ra n d t h es t r e s si ss t r o n g e r , a n di ti su n e a s i e rt os t a r td y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ;a tt h es a m es t r a i n r a t ea n dd i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ,w h e nt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei sh i g h e ra n d t h es t r e s si sl o w e r , d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni se a s i e rt oo c c u r ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fp r o c e s s i n gm a p ,t h ep r o c e s s i n gm a po f4 0 3 n bh a s b e e n e s t a b l i s h e do nd y n a m i cm a t e r i a lm o d e l i nt h ep r o c e s s i n gm a p ,t h eo p t i m a ld e f o r m a t i o n p a r a m e t e r s ( s t r a i n ,s t r a i nr a t ea n dd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ) f o rm u l t i s t a n dt a n d e mh o tr o l l i n g a r eg i v e na n dt h ei n s t a b l er e g i o n sn o ts u i t a b l ef o rh o tr o l l i n gc o u l da l s ob es e e n ( 3 ) t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro f4 0 3 n bh a sb e e ns t u d i e du s i n gs i n g l e p a s s h o tc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s t h ep a r a m e t e rza n dh o td e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yqo f 4 0 3 n bs t e e li nc o n d i t i o no fh o tc o m p r e s s i o nh a v eb e e no b t a i n e d a l s o ,t h ef l o ws t r e s s e q u a t i o na n dc r i t i c a l s t r a i ne x p r e s s i o nf o rd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no f4 0 3 n bh a v eb e e n e s t a b l i s h e d ( 4 ) t h es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro f4 0 3 n bh a sb e e ns t u d i e du s i n gd o u b l e p a s sh o t c o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s t h ec u r v e so fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nf r a c t i o no f4 0 3 n b h a v eb e e n i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p l o t t e da n dt h es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yq h a sb e e no b t a i n e d a n dt h em o d e l o fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c sh a sa l s ob e e ne s t a b l i s h e d ( 5 ) t h em o d e lo fd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo f4 0 3 n b a tt h es t r a i nr a t eo fo 5 - 10 s 一、a n dt h e t e m p e r a t u r eo f9 0 0 - 1 15 0 。ch a sb e e ne s t a b l i s h e du s i n go r i g i ns o f t w a r e ,a n di th a sh i g h e r f i t t i n gp r e c i s i o n k e y w o r d s :4 0 3 n b ;p r o c e s s i n gm a p ;d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ;s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ; d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c e ;m u l t i - s t a n dt a n d e mh o tr o l l i n g i v 卜 叠 东北大学硕士学位论文 独创性声明 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 引言 1 2 关于耐热钢 1 2 1 耐热钢的分类 1 2 2 耐热钢的发展历程 1 2 3 耐热钢中合金元素的 1 2 44 0 3 n b 耐热叶片钢 1 3 加工图5 1 3 1 加工图的分类5 1 3 2 塑性失稳判断准则6 1 4 钢的热变形与再结晶8 1 4 1 动态再结晶行为8 1 4 2 静态再结晶行为1 3 1 5 课题的研究背景和研究内容1 4 1 5 1 研究背景1 4 1 5 2 研究内容15 第2 章实验材料及方法16 2 1 实验材料16 2 2 实验设备1 6 2 3 实验方法16 2 3 1 单道次压缩试验16 2 3 2 双道次压缩实验18 第3 章4 0 3 n b 钢的热加工图2 0 3 1 热加工图理论2 0 3 - 2 热压缩真应力真应变曲线2 l 3 3 热加工图2 3 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 1 热加工图的制作2 3 3 3 2 热力h - r - 图分析2 6 3 4 本章小结2 8 第4 章4 0 3 n b 钢的再结晶行为2 9 4 14 0 3 n b 钢的动态再结晶2 9 4 1 1 实验结果分析2 9 4 1 2z 参数的确定。3 2 4 1 3 流变应力方程的建立3 5 4 1 4 动态再结晶临界应变的确定3 5 4 24 0 3 n b 钢的静态再结晶3 6 4 2 1 双道次压缩实验结果3 7 4 2 2 静态再结晶率3 8 4 2 3 静态再结晶模型4 0 4 3 本章小结4 2 第5 章4 0 3 n b 钢的变形抗力模型4 4 5 1 实验结果分析4 4 5 - 2 变形温度对变形抗力的影响4 6 5 3 变形速率对变形抗力的影响4 7 5 4 变形程度对变形抗力的影响4 8 5 5 变形抗力模型的确立4 9 5 6 变形抗力模型检验4 9 5 6 1 回归方程的显著性检验4 9 5 6 2 回归结果的精度分析5 0 5 6 3 回归值与实测值的对比5 0 5 7 本章小结5 0 第6 章结论5 2 参考文献5 3 致谢5 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 钢铁材料具有资源相对丰富、生产规模庞大、加工制造容易、性能多样可靠、成本 低廉稳定和回收利用方便等特点,是基础设施建设、工业设备制造和人民日常生活中广 泛使用的材料;可广泛应用于建筑、桥梁、交通、汽车、船舶、管线等领域。目前和可 预见的未来还没有任何材料能够全面取代钢铁材料,钢铁材料仍然是占据主导地位的结 构材料,是社会发展和经济发展的物质基础【l 】。当然,社会的不断发展对钢铁材料的研 究提出了越来越高的要求,人们期望利用最少的资源和最低的成本生产具有高级别力学 性能和各种优异使用性能、容易回收利用的先进钢铁材料,以支撑社会实现可持续发展。 在钢铁材料发展的关键时期,钢铁工业技术自身取得了巨大进步,纯净化冶炼、连 铸技术、高速连续轧制、t m c p 等一批关键技术取得了巨大进展。相关学科和领域的发 展,为钢铁材料的发展提供了设备、自动化、计算机、传动等各种不同领域的支撑手段, 钢铁材料面临着前所未有的发展机遇【2 1 。钢铁研究总院的干勇、董瀚等【1 1 从钢铁材料理 论进展出发,结合市场的需求,论述了微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高 质量特殊钢、钢材组织性能预报和材料信息化技术等重要的先进钢铁材料技术进展;东 北大学王国栋院士 3 1 提出了一种以超快速冷却为核心的新一代t m c p 技术,指出这是一 项节省资源和能源、有利于材料循环利用、促进社会可持续发展的新技术。 钢铁材料是一类不断发展的先进材料。伴随着需求变化和相关技术进展,2 1 世纪的 钢铁材料将会以质量高和多样化的面貌呈现在人们面前。中国经济的高速发展,对各种 性能钢铁材料的需求日益增加。为解决当前面临的资源紧缺,包括“温室效应 在内的 环境问题,建设环境污染小、能源消耗少的高效能的火电机组已成为必要和紧迫。作为 火电机组中应用最广泛的关键材料,耐热钢的发展直接影响火电机组的发展。因此,研 制具有优异性能和高品质的耐热钢显得尤为重要。 1 2 关于耐热钢 耐热钢是指在高温下工作的钢铁材料。由于使用的温度和承受的应力不同以及所处 的环境各异,因此,所采用的钢材种类也不相同。 1 2 1 耐热钢的分类 耐热钢除了要求在高温下保持一定的强度外,还要求在高温下工作时具有一定抗氧 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 化和耐腐蚀的能力。按照钢中合金元素含量来分,耐热钢可分为低碳钢和低合金耐热钢; 按钢的组织结构又可分为珠光体型耐热钢、铁素体型耐热钢、奥氏体型耐热钢和马氏体 型耐热钢;按钢的特性可分为抗氧化不起皮钢和热强钢【3 0 j 。 热强钢通常在4 5 0 9 0 0 。c 既能承受相当的附加应力,又要具有优异的抗氧化、抗高 温气体腐蚀能力,通常还要求承受周期性的可变应力。通常用作汽轮机、燃气轮机的转 子和叶片、锅炉的过热器、高温下工作的螺栓和弹簧、内燃机的进排气阀等。 1 2 2 耐热钢的发展历程 耐热钢的发展与电站、锅炉、燃气轮机、内燃机、航空发动机等各工业部门的技术 进步密切相关。由于各类机器、装置使用的温度和所承受的应力不同以及所处的环境各 异,所采用的耐热钢的种类也不尽相同。最早在锅炉和加热炉中使用的材料是低碳钢, 使用的温度一般在2 0 0 左右,压力仅为0 8 m p a 。2 0 世纪3 0 、4 0 年代开发出的镍钢、铬 镍钢、铝钢、铬铝钢、铬铝钒钢等低合金钢,主要应用于锅炉、蒸汽汽轮机、化学工业 装置等方面。 随着各类动力装置的使用温度不断提高,工作压力迅速增加,现代耐热钢的使用温 度越来越高,使用的环境也变得更加复杂和苛刻。现在,耐热钢的使用温度范围为 2 0 0 8 0 0 * c ,工作压力为几兆帕到几十兆帕,工作环境从单纯的氧化气氛,发展到硫化 气氛、混合气氛以及熔盐和液态金属等更复杂的环境【3 。 为了适应各种工作条件下不断发展的要求,耐热钢也在不断的发展。从最早期的低 碳钢、低合金钢,到成分复杂的高合金耐热钢。高合金耐热钢基本上是和不锈钢同时发 展起来的。早在1 8 2 1 年,b e r t h i e r 在研究中发现,“随着c 晗量增加,含1 7 6 0 c r f e 合 金的抗氧化性也增加”;第二年,s t o d a r t 和f a r d a y 发现,1 - 3 f e c r 合金在大气中具有 抵抗氧化的性能【3 2 】。1 9 1 4 年,德国施特劳斯等指出,含一定量的c r 和n i 具有抗氧化和耐 酸作用。直至u 1 9 2 0 年以后,才逐渐研制出铬系和铬镍系不锈耐热钢。有些钢既可作为不 锈钢,又可作为耐热钢应用。 与珠光体耐热钢、铁素体耐热钢及奥氏体耐热钢相比较,马氏体耐热钢的合金元素 含量较高,具有较高的抗氧化性和抗腐蚀性。在该钢种中加入w 、m o 、v 、t i 、n b 等合 金元素,强化了马氏体基体固溶体及形成更稳定的碳化物,提高了马氏体耐热钢的热强 性和高温稳定性。多年来,冶金和电力行业一直致力于新型耐热钢的研究开发,特别是 铬含量为9 1 2 的高铬耐热钢;该系列耐热钢以其很高的强韧性、抗蠕变性能,以及良 好的抗高温氧化和抗腐蚀性能而受到关注,并成为热电厂中主要设备用材的主选或更新 换代材料。 一,g 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 高铬耐热钢也有一定的发展历史。含铬1 2 及少量钼、钒等元素的耐热合金钢因其 具有很高的蠕变强度,最早用作喷气式发动机材料。但是,由于马氏体相变导致的焊接 脆断问题直至l j 2 0 世纪5 0 年代中期才得到解决,所以,这种耐热钢在2 0 世纪5 0 年代以后才 开始应用于热电厂的蒸汽管道。早期用于热电厂蒸汽管道的钢种仅有x 1 2 c r m 0 9 1 ( p 9 ) 和 x 2 0 c r m o v l 2 1 ,而现在已经开发了多个钢种。在1 2 c r m o v 耐热钢中,最具代表性的是 x 2 0 c r m o v l 2 1 钢( 德国钢号:f 1 2 ) 。该钢在2 0 世纪6 0 年代成为热电厂主蒸汽管道的主要 用材之一,并被列为德国国家标准d i n l 7 1 7 5 ,1 9 6 3 年首先在德国电厂使用,随后在欧洲 国家逐渐推广。该钢以突出的抗蠕变性能、较高的强韧性和抗腐蚀性能以及良好的抗热 疲劳性能受到青睐,被用于大功率热电厂【3 3 1 。 1 2 3 耐热钢中合金元素的作用 耐热钢中的合金化元素主要有三类。第一类是与抗腐蚀性能有关的元素,女h c r ;第 二类是形成钢中第二相的强化元素,如m o 、c u 、v 等;最后一类是平衡组织以保证钢中 不出现或控制6 铁素体的元素,如n i 、m n 、c o 等。而c 在中碳、高碳钢中则作为固溶元 素以及通过回火形成碳化物来强化材料,但是在高铬马氏体热强钢中则作为杂质元素而 应尽量降低其含量,也为提高材料的马氏体转变点以及保证良好的焊接性能提供了保 证。为了对耐热钢的耐热机理有进一步的了解,以下介绍几种主要合金元素的作用。 c r 的作用:c r 是马氏体耐热钢的主要合金元素,对耐蚀性起着决定作用,是目前使 钢钝化并赋予良好耐蚀性和不锈性的唯一有工业实用价值的元素。随c r 含量的增加,钢 在氧化性介质中耐腐蚀能力相应增加,引起耐蚀性突变的c r 含量约为1 2 。图1 1 是c r 对钢耐蚀性影响的一组曲线【3 5 】,图中四条曲线是不同地区的结果。c r 能有效地提高钢的 点蚀电位,降低钢对点蚀的敏感性。当c r 与m o 配合使用时,抗点蚀效果更好。 c o 的作用:c o 是奥氏体形成元素,在马氏体耐热钢中添加合金元素c o 后,c o 固溶 于基体中但不形成金属间化合物,而是与m o 产生协作效应,即降低m o 在马氏体中的固 溶度,从而促进含m o 金属问化合物( 女h n i 3 m o 、f e 2 m o ) 的析出【3 4 】。另外,c o 可以抑制马 氏体中位错亚结构的回复,为随后的析出相形成提供更多的形核位置,因而使析出相更 为细小且均匀分布,减少了析出相的间距。 n i 的作用:n i 是奥氏体相形成元素,可以扩大奥氏体相区。在马氏体耐热钢中j j h n i , 可以使钢的力学性能等得到改善,提高钢的淬透性和耐蚀性能。钢中随n i 含量的提高, 奥氏体相区向高c r 方向移动,即增加钢中的c 晗量也不至于形成高温铁素体组织。但n i 含量过多,会降低m s 点【3 引,冷却时会导致残余奥氏体的形成,使回火后的强度降低。 另外,由于奥氏体中的n i 含量比马氏体中的n i 含量高的多,因此,高n i 容易导致回火过 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 程中逆转变奥氏体的形成而降低强度。 皇 j 刨 憋 营 瑙 霹 * c r 图1 1c r 含量对f e c r 合金耐大气腐蚀的影响【3 5 】 f i g 1 1t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n t e n to fc ro nt h ea t m o s p h e r i cc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ff e c ra l l o y m o 的作用:在马氏体耐热钢中对强度、韧性和耐蚀性都有利的合金元素是m o 。m o 的加入,增加了马氏体耐热钢的回火稳定性。在某些还原性介质中,m o 能促进c r 的钝 化作用。故m o 能提高铬镍不锈钢在硫酸、盐酸、磷酸及有机酸中的耐蚀性,并有效抑 制氯离子的点蚀倾向,提高钢的抗晶问腐蚀能力【3 6 1 。但是,过量添加m o 同过量添2 h n i 一样,也会生成残余奥氏体。在马氏体耐热钢中m o 含量应控制在5 以下。 w 和v 的作用:w 和v 都是强碳化物形成元素,对提高耐热钢的热强性有较好的作 用。一般认为,高铬铁素体耐热钢中添加w 能提高其蠕变强度。耐热钢中一部分w 原子 形成f e 2 w 相,剩余部分固溶于基体起到固溶强化作用。w 的固溶强化机理与位错强化有 关,w 添加可降低马氏体转变点温度,并产生细晶亚结构。由于含钨铁素体钢中m 2 3 c 6 型粒子密度大,且在亚晶界附近的钉扎作用显著,从而使亚结构能够长时间保持稳定。 在耐热钢中添加v ,主要形成m x 相。钢中细小、稳定的m x 型粒子析出并弥散分布 于晶粒内,虽然m x 相在钢中的密度较低,但m x 相粒子能长时间保持稳定,对于维持亚 晶粒结构的稳定和提高钢的持久强度具有重要作用。 1 2 44 0 3 n b 耐热叶片钢 随着能源行业的不断发展,火电机组热效率的不断提高,对制造汽轮机、锅炉等的 材料也有了更高的要求,原来材料的性能已经不能满足设计要求。在a i s l 4 0 3 钢基础上, 美国开发出了4 0 3 n b ,它是在a i s l 4 0 3 钢中添加约0 2 的n b 和5 0 1 的v 。其作用是1 37 j : 一4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 0 2 0 n b 在加工中析出n b c ,完全防止1 0 0 0 。c 左右c r 3 c 6 的析出以改善热加工特性;用 0 0 5 v 在8 0 0 以下析出v c ,细化仅相。4 0 3 n b 的性能要求在原来a i s i4 0 3 基础上又提高 了一步,抗拉强度由原来的不足6 9 0 m p a 提高到7 9 0 m p a ,屈服强度由原来的最低5 5 0 m p a 提高为最 氐6 6 0 m p a ,综合性能优于a i s l 4 0 3 。上世纪末,美国g e 公司制造的汽轮机叶片 选用4 0 3 n b 制造,该钢的冶炼及热加工在宝钢股份特殊钢分公司完成。 4 0 3 n b 钢属于马氏体型不锈钢,关于该钢的报道还很少。a i s l 4 0 3 钢类似于我国的 c r l 3 系列马氏体不锈钢,主要用于制作工作温度在4 5 0 。c 以下的火电机组中的汽轮机叶 片。由于该钢中含有一定量的n i 和m o ,不仅起到了平衡组织的作用,而且还细化晶粒, 起到了固溶强化、提高回火抗力的作用。同时,该钢还具有很好的组织稳定性,如时效 1 2 0 0 0 5 时后,合金元素绝大部分仍然固溶在基体中,钢中析出相为单一的m 2 3 c 6 型碳化 物,其综合性能优于我国的1 c r l 3 钢。a i s l 4 0 3 钢屈服强度要求 5 5 0 m p a ,1 c r l 3 钢 4 4 0 m p a ,前者较后者提高j 丘2 5 e 3 8 1 。在上世纪八、九十年代,我国研制的3 0 万和6 0 万 千瓦的火电机组中的汽轮机叶片就是由该钢种制造。 由于最近几年我国出现的能源紧缺,迫切要求加大能源基础设施建设,特别是占我 国供电量大部分的火力发电系统。4 0 3 n b 钢作为汽轮机叶片用钢有很大的应用f j 景,全 面了解4 0 3 n b 钢的再结晶行为及热变形过程中的组织演变规律,可以为其组织性能预报 提供实验基础参数。同时,也可以解决我国高效能火电机组关键用材问题,进一步促进 我国火电事业的发展。 1 3 加工图 表征金属塑性成形能力的一个重要指标是材料的“可加工性”。所谓“可加工性 是指材料在塑性变形过程中不发生破坏所能达到的变形能力。现在普遍接受的可加工性 概念包括两方面含义:材料固有的加工性和应力状态的影响。材料固有的加工性与材料 的化学成分、原始组织状态、加工历史及变形温度、应变速率和应变量等参数有关。 描述材料加工性好坏的图形称为加工图,加工图不仅能直观地反映出稳定变形区和 失稳变形区,而且加工图中呈现的不同区域对应着不同的变形机理,从而对应着不同的 组织和性能。 1 3 1 加工图的分类 根据不同的理论模型,加工图可以分为两类:一类是基于原子模型的加工图,女 i r a j 加工图;另一类是基于动态材料模型( d y n a m i cm a t e r i a lm o d e l ,d m m ) 的加工图。 r a j 等人根据几种原子活动机制,建立了材料不出现断裂或组织损伤的安全图,称 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为r a d h i 图。主要考虑了4 种原子活动机制:1 ) 硬质点周围的空洞形核;2 ) 三角晶界 点的楔形丌裂;3 ) 绝热剪切带形成;4 ) 动态再结晶。前3 种为损伤机制,第4 种是安全 过程。 r a j ,j n i 图使人们对于金属成形过程中材料变形机理有了更为科学的理解。然而, 将其用于实际仍有很大的局限性,因为:1 ) 它仅适用于纯金属和简单合金,且只在稳 态下才有效,对一般的复杂合金不适用;2 ) 需要确定大量基本材料参数,如:激活能、 扩散系数、结构参数和晶粒尺寸、分布等,涉及较多原子活动机制的知识。对纯金属和 简单合金,这些参数的数据可以获得;而对于复杂的合金,这些材料参数数据很难获得; 3 ) 仅建立了几种典型过程的原子模型,无法适用于各种变形机制。 p r a s a d 和g e g e l 等人根据大塑性变形连续介质力学、物理系统模拟和不可逆热力学理 论,建立了动念材料模型。动态材料模型可看作是联系大塑性变形和组织结构耗散的纽 带,可阐明外界作用的能量是如何通过工件塑性变形而耗散。 根据动态材料模型理论,材料成形过程中显微组织演变所耗散的能量同线性耗散能 量的比值称为耗散效率因子1 1 ,功率耗散效率因子随温度和应变速率变化就构成了功率 耗散图,以流变失稳准则为函数,在变形温度t 和应变速率引开构成的二维平面上绘制 的区域称为流变失稳图。如果将功率耗散图与流变失稳图叠加就可得到加工图 ( p r o c e s s i n gm a p ) ,即是基于动态材料模型的加工图。在加工图上可以直接显示加工安全 区和流变失稳与开裂区域。 1 3 2 塑性失稳判断准则 1 3 2 1 唯象准则 s e m i a t i n 等根据力平衡的方法定义参数: 1 旋f ,l 如1y i 一= l i 一局一上( 1 - d ed emm 1 ) iol v 式中,丫是加工硬化( 或软化) 率,m 是应变速率敏感因子。 根据显微组织观察,s e m i a t i n 等认为钛合金中塑性流动稳定准则为: 仅 5 ( 1 2 ) 但是,上式完全根据实际经验取值,没有严密的理论依据,故参数仅的取值范围会因材 料不同而异。 1 2 2 2 基于动态材料模型的准则 一般认为,金属热加工中的动态再结晶是最好的变形机制,在这个过程中材料可以 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 消除缺陷,重建微观组织结构,而动态回复相对差些;超塑性变形则不能重建微观组织 结构,而且当应变速率稍大时还会在三叉晶界出现裂纹和空洞:其他的微观机制则对热 加工不利,如动态应变失效、裂纹、空洞、绝热剪切带等。为了避免产生这些缺陷,减 少获取安全热加工参数的工作量,国外许多学者基于d m m 理论发展了一些确定失稳变 形区或稳定变形区的判据。 ( 1 ) p r a s a d 等根据z i e g l e r 提出的最大熵产生率原理,认为如果耗散函数d ( g ) 同应变速率 满足不等式: 一d d 一d ( 1 3 ) 施 、。 则系统不稳定,材料流变失稳准则为: 0 1 0 9 ( ) 号( ) = = 譬l + 撒 5 s j ) 下对t c l 7 合金加工易发生流变不稳定现象,形成绝热剪切带。张仁鹏、 李付国等7 1 利用该准则绘制加工图研究 f g h 9 6 合金的热变形行为,确定了实际可行的 热变形工艺参数范围。 ( 2 ) g e g e l 等人根据l i a p u n o v 稳定性准则推导出塑性稳定判断准则: 罢0 0 - 1 1 l( 1 - 5 ) a i n g 、 兰0 j 1 ( 1 6 ) a l n 、 苴申 、 s 一上鬻(1-1it o ( 1 t ) )= 一一o l 。j 、 值得注意的是,上述2 个公式是建立在应变速率敏感因子m 与应变速率g 无关的基础上, 只适用于本构关系符合下式的材料,具有一定的局限性。 a = 既” ( 1 - 8 ) ( 3 ) m u r t h y 等考虑应变速率敏感因子m 不是常数的情况,提出任意类型。一曲线的流变 失稳准则。将与组织演变相关的耗散协量j 用积分式表示: j = p g ( 1 - 9 ) - 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 因为p = 硎,则可将耗散效率因子表示为: t 1 :一p - g :2 一旦( 1 - 1 0 )驴e 2r 一i 其中: g = i jc r d d = e 。a d d + j :i 6 d d ( 1 - 1 1 ) 塑性流变失稳准则为: 2 m ”0( 1 - 1 2 ) m u r t h y 等假定在试验最低应变速率下m 值不变,且等于时的值,由此可计算式( 1 1 2 ) 的积分式。 1 4 钢的热变形与再结晶 从金属学的角度来看,热变形是指在金属的再结晶温度以上的变形过程。研究会属 的热变形行为可以为制定其挤压、轧制、扭转等热加工工艺提供理论依据,同时通过热 变形还可以改善金属材料的组织和性能。 只要动力学条件允许,例如,温度较高,原子具有相当的扩散能力时,形变后的金 属和合金就会自发的向着自由能较低的方向转变,进行这种转变的过程称回复和再结 晶。在热变形过程中,在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过 程。钢经热变形后,其组织、结构和性能受热变形时的硬化过程和软化过程的影响,而 这个过程又受变形温度、应变速率、变形程度和钢本身性质的影响。因此,研究钢的热 变形行为及再结晶过程,特别是动态再结晶和静态再结晶行为,对控制棒材热连轧的组 织和性能是十分必要的。 1 4 1 动态再结晶行为 大量研究表明,动态再结晶是一个热激活的过程,存在临界变形量。只有达到了临 界变形量,动态再结晶才会发生。除材料本身性质外,合金元素的种类、存在形式、分 布及原始晶粒尺寸都会影响动态再结晶的发生;此外,热变形过程中变形速率、变形温 度和变形量等因素也强烈影响动态再结晶的发生。在棒材热连轧过程中,道次间隔时间 一般较短,当累积应变达到临界变形量时,动态再结晶就容易发生。所以,研究钢材动 态再结晶规律,对棒材热连轧组织和性能的控制显得十分重要。 1 4 1 1 动态再结晶过程 热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、再结晶软化过程的矛盾统一。在高温奥氏 8 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 体区变形的钢,随着变形量的增大,加工硬化过程和高温动态软化过程( 动态回复和动 态再结晶) 同时进行,根据这两个过程的平衡状况来决定材料的变形力。图1 2 为奥氏体 热变形时的真应力真应变曲线以及组织结构变化示意图。 们 力 翌 图1 2 热变形真应力一真应变曲线及组织结构变化示意图 f i g 1 2t r u es t r a i n s t r e s sc a lv ea n dt h es k e t c hm a po fm i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o n 该曲线分为三个阶段。第一阶段:塑性变形小,一方面随应变量增大,位错密度增 加,变形抗力增加,即产生加工硬化;另一方面,由于钢在高温下变形,变形中产生的 位错能够在热加工过程中通过交滑移和攀移等方式运动,使部分位错消失、重排,产生 奥氏体的动态回复和多边形化都使材料软化。由于位错增殖速度相对来说与形变量无 关,而位错的消失速度与位错密度绝对值的大小有关,当形变量增加时,位错密度绝对 值也增加,因此位错消失速度增加,反映在应力应变曲线上随形变量的增加,加工硬 化速度降低,但是加工硬化还是超过动态软化。因此,在第一阶段随变形量的增加,变 形应力不断增加,直到应力值达到最大。 第二阶段:随着变形量增加,金属内部的畸变能不断升高,当畸变能达到一定程度 后,发生奥氏体动态再结晶。动态再结晶的发生与发展使更多的位错消失,材料的变形 抗力很快下降。随着变形过程的继续进行,不断形成新的再结晶核心并继续长大直到完 成再结晶,变形抗力降到最低值。 发生动态再结晶所必须的最低变形量称为动态再结晶的临界变形量,以。表示。 的大小与钢的奥氏体成分和变形条件( 变形温度丁、变形速率g ) 有关,的值可由p j 法 求出【9 】o 第三阶段:当第一轮动态再结晶完成以后,在真应力真应变曲线上将出现两种情 况,一是应力达到稳定值,形变量不断增加而应力基本不变,呈稳态变形的连续动态再 - 9 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 结晶;另一种情况是应力出现波浪式变化,呈非稳态变形的间断动态再结晶。由动态再 结晶产生核心到全部完成一轮再结晶所需要的变形量用,表示。当, ,时,发生间断动态再结晶。 1 4 1 2 动态
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