船板钢应变时效过程中的内耗行为

船板钢应变时效过程中的内耗行为

在舰艇施工过程中，船体板应承受冷涂层变形、erbol、模型压力、erbol和erbol等冷加工变形。在冷加工过程中，由于erbol和erbol的变形性，钢板的强度增加，耐候性和耐候性降低。对于c-mn钢，当加速至1%时，加工硬化，钢的耐腐蚀性温度增加5，从而提高了船舶板钢的耐腐蚀性。为了保证钢板的性能稳定性和使用安全性，有必要研究钢板的适应性。在这项工作中，我们研究了四种类型的船板钢的硬度、低温影响和耐腐蚀性变化的性能，并确定了四种类型的船板钢的适应性。1试验材料和方案1.1材料与力学性能检测结果实验钢板取自湘钢宽厚板厂生产的F40级船板钢(板坯号为7409157).中间包化学成分(质量分数,%)为:C0.09,Si0.30,Mn1.40,P0.010,S0.004,Al0.035,Nb0.030,Ni0.35.F40级船板钢的生产工艺为:CR(controlledrolling),成品厚度为40mm,板坯厚度260mm,中间坯厚度120mm,未再结晶区最后3道次的道次压下率≥15%,终轧温度为760℃.力学性能检测结果为:Rel=495MPa,Rm=615MPa,A=23.5%,-60℃冲击功166J,-80℃冲击功128J,冷弯合格,力学性能均满足船级社对F40船板钢的规范要求.1.2试验方法与材料在板坯号为7409157的钢板上1/4部位取12mm×12mm×200mm的横向拉伸样,标距为120mm,在北京科技大学力学拉伸试验机上进行10%的预应变,然后在加热炉中250℃保温1h,再空冷至室温.根据国标金属夏比缺口冲击试验方法GB/T18658—2002取标准冲击试样,实验温度分别为0,-20,-40,-60,-80℃,通过原始试样和应变时效后试样的冲击功对比,确定应变时效敏感系数.内耗试样在经过10%预应变后的试样上截取,试样尺寸为70mm×2mm×(0.5～1.0)mm,用砂纸磨光表面,再用丙酮清洗干净.内耗测量在中科院固体物理所多功能内耗仪上进行,振动模式采用自由衰减模式,升温速率为4K·min-1,应变振幅为1×10-5.钢板组织试样经打磨抛光后,用4%硝酸酒精侵蚀后进行SEM观察,透射电镜样品采用5%高氯酸无水乙醇溶液为电解液,在-20℃,50V下电解双喷减薄至穿孔,所用电镜为H-800,工作电压为175kV.2结果2.1根据击吸收功下降的幅度不同应变时效后试样的硬度值有一定程度的增加,由原始态的HV190增加到应变时效后的HV241.由图1可以看出,应变时效后,不同温度下的冲击吸收功都有一定程度降低,但下降的幅度不同.0～-20℃范围内,下降幅度很小;-40～-60℃范围内,下降幅度增加;在-60℃时,由应变时效前的189J下降为应变时效后的101J,下降了46.5%,虽然下降程度较大,但其冲击功仍符合要求.以高阶能和低阶能的对应温度作为韧脆转变温度,由图可见,应变时效前的韧脆转变温度为-80℃,应变时效后在-60℃就发生脆性转变,韧脆转变温度提高了20℃.2.2精细微观组织图2(a)为F40级船板钢原始试样的SEM组织形貌,其基体组织为准多边形铁素体和珠光体,同时含有少量的针状铁素体组织.准多边形铁素体组织是在较低温度下通过块状转变得到的,在SEM尺度下,界面呈高度不规则的锯齿状,犹如一块无特征的碎片(图2(a)中箭头所指).应变时效后试样的组织仍是由准多边铁素体、珠光体和针状铁素体组成的复合组织(图2(b)),组织类型没有发生明显变化,在SEM尺度下,应变时效过程对组织的影响不是很大,微观组织很稳定,说明应变时效后的性能变化取决于更微观的结构变化.图3为F40级船板钢原始态和应变时效后在TEM下观察到的精细微观结构.由图中可以看出:原始态的准多边形铁素体的位错散乱排列,位错密度较低(图3(a)).10%应变后晶内位错密度升高,经过250℃的保温时效过程,位错回复的进程加快,向稳态演化,位错形态发生变化,图3(b)给出了完整的位错组态.箭头1所指处可见,此处的位错还处于离散状态;箭头2所指的地方已经形成了稳定的位错胞状结构,胞内位错回复的比较彻底,位错密度很低.珠光体片层结构在应变时效后(图3(d)中箭头所指)同原始样的组织(图3(c)箭头所指)相比,没有发生明显的变化,渗碳体在应变时效过程中没有发生分解,很稳定.3讨论3.1应变时效敏感性分析根据《GB/T4160—2004钢的应变时效敏感性试验方法》,按照C=A¯¯¯k−A¯¯¯ksA¯¯¯k×100%C=A¯k-A¯ksA¯k×100%可得出F40级船板钢在不同温度下的应变时效敏感性系数,见图4.式中,A¯¯¯kA¯k为未经应变时效的冲击功平均值,A¯¯¯ksA¯ks为经应变时效后的冲击功平均值.由图可知,F40级船板钢的应变时效敏感系数随温度的变化分为三个区域:在0～-20℃时变化很小,分别为4.1%和5.7%;在-40～-60℃时,应变时效敏感性增加到35.4%;到-80℃时已突增到89.7%.应变时效敏感性系数,对于焊接结果和要求冷塑性成形的钢材是一项重要指标.碳素结构钢的应变时效敏感性系数一般要求不大于50%,低合金钢的应变时效敏感性系数一般在40%以下.因此,F40级船板钢在-60℃以内的温度范围其应变时效敏感性满足要求.3.2应变时效与内耗由前述分析可知,应变时效后,F40级船板钢的强度上升,韧性下降,韧脆转变温度升高.应变时效处理过程中,材料经过10%冷变形,使铁素体中位错密度增加.有文献指出,若低碳钢经正火后位错密度为108?cm-2,经过10%以上的冷变形,平均位错密度可增到1010?cm-2.此时,位错线的平均间隔是10-5?cm.由图3亦可得知,应变后在晶内均会出现非常密集的位错缠结,这样碳原子就能够以更短的路程达到位错等晶体缺陷及应力集中处,而富集于他们周围形成柯氏气团,所以要使位错继续移动,就需要增加外力,这就使得钢板的强度、硬度升高,冲击韧性下降.同时在应变时效过程中并不会有新生的碳氮化物析出,也不会有碳化物的聚集长大,所以随着时效时间的延长,强化效应不会消失.钢的时效倾向主要是由C、N原子的扩散所致.有文献研究表明,氮在铁素体中的溶解度在591℃时可达0.1%左右(质量分数),室温时降低至10-7左右,含氮量高的钢,由高温快速冷却时过剩的氮便过饱和地溶解在铁素体中,在室温静置时自由氮将重新析出,导致钢的硬度、强度升高,而韧性和塑性降低.但通过在国家钢铁材料测试中心物理化学相分析测试报告数据显示,由于F40级船板钢中的化学成分中加入了Nb、Ti和Al等能够形成碳氮化物的合金元素,钢中的N原子都以(Nb0.463Ti0.537)(C0.317N0.683)和AlN的状态存在,没有游离态的N原子存在.因此,F40级船板钢在较低温度发生时效倾向应该主要由游离态的C原子被位错钉扎和脱钉所致.而是否是由游离态碳原子与位错的相互作用导致钢板的应变时效性能变化,则通过在多功能内耗仪的内耗实验得到了证实.图5所示为内耗值随温度变化曲线.由图可知,随着温度的升高,内耗值一直会相应的增加,到230℃达到峰值,随着温度的进一步增加,内耗值急剧降低,降低的趋势一直持续到250℃.通过文献可以判断,在时效温度附近出现的内耗峰是由于间隙C原子在此时与位错发生了钉扎和脱钉所致.由于F40级船板钢中加入Nb、Ti微合金元素,所以有稳定的碳氮化物形成从而减少了铁素体基体中固溶的C、N含量,尤其减少N原子对应变时效的影响,因此F40级船板钢的抗应变时效性能还是相对好些.4应变时效敏感性分析(1