新型核电用SIMP马氏体耐热钢热变形行为研究.pdf

试验研究收稿日期:作者简介:庞宇跃()男浙江台州人在读材料成型及控制工程专业本科生 联系电话:通讯作者:刘超()男山东泰安人博士讲师主要从事金属材料热处理技术研究等工作联系电话:基金项目:湖南省科技厅重点研发计划项目()大学生创新创业训练计划项目()湖南省教育厅科学研究项目()新型核电用 马氏体耐热钢热变形行为研究庞宇跃林朝阳陈凌霄李 铁屈伟明刘安民刘 超(.湖南工学院 智能制造与机械工程学院湖南 衡阳.湖南工学院 汽车泵类零部件设计制造技术国家地方联合工程实验室湖南 衡阳)摘 要:为研究新型核电用 马氏体耐热钢的热变形行为采 热模拟试验机在 以.的应变速率进行了压缩变形试验 压缩变形后检测了钢的显微组织并根据热塑性变形理论和试验数据绘制了钢的真应力真应变曲线 结果表明:变形温度和应变速率明显影响 钢热变形过程中的动态回复和动态再结晶的发生在 左右压缩变形的钢主要发生动态回复在 压缩变形的钢发生动态再结晶高于 压缩变形的钢发生了完全再结晶变形温度较高时钢的流变应力曲线有明显的峰值变形温度较低时流变应力曲线上没有明显的峰值 钢的最适合的塑性变形温度为 应变速率为 关键词:动态回复动态再结晶 钢热变形中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.()()()().热处理 年第 卷 第 期:引言核能是低碳低排放清洁能源是国内外应对能源需求日益增加的最佳选择核电用材料也是当前材料研究的重要方面 中国科学院金属研究所研制的新型核电用 马氏体钢耐热、抗辐照、耐蚀且具有较好的高温和室温力学性能可用作下一代核反应堆 系统的结构材料热变形能有效改善材料的微观组织和力学性能 为使核电用马氏体的力学性能和显微组织达到要求需对其热变形行为进行深入研究以确定最佳的热加工工艺参数 比如 等研究了/钢的热变形行为 文献 研究了/钢和 马氏体钢的热变形行为和热加工工艺 此外文献研究了某新型火电用氮化物强化马氏体耐热钢的热变形 这些研究均有利于核电用马氏体钢的推广应用本文对一种新型 钢进行了应变速率恒定的压缩试验以研究其热变形行为并研究了该材料在热变形过程中微观结构的变化可为合理制定其塑性变形工艺提供依据 试验材料和方法试验用材料为锻造态 钢其化学成分如表 所示 首先对 钢锻坯在真空感应炉中加热至 然后锻造成直径为 的棒材再制备成 的压缩试验试样接着将试样在氩气保护下以 /的速率加热至 保温 随后冷却至不同的变形温度()保温 最后采用 热模拟试验机以.的应变速率进行单道次热压缩至真应变为.热压缩变形试验过程如图 所示 表 试验用 钢的化学成分(质量分数)单位:.图 热压缩变形试验过程热压缩试验后对试样进行金相检验金相试样采用 (体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀 试验结果与讨论.显微组织图 为 钢以.的应变速率在 压缩试验后的显微组织 由图 表明在不同条件下热压缩变的 钢的平均晶粒尺寸也不相同 变形温度相同随着应变速率的降低钢的平均晶粒尺寸增大同样应变速率不变随着变形温度的升高钢的平均晶粒尺寸也增大图 所示微观组织的变化反映了动态回复和连续再结晶现象 如图()和图()为 以.()和 ()的应变速率压缩试验后钢的晶粒明显呈纤维状但降低应变速率后晶粒沿垂直于压缩变形的方向拉长呈长条状 这是由于仅改变应变速率时 钢热变形产生的部分位错通过交滑移和攀移与异号位错相互抵消发生了动态回复如图()所示在 以.的应变速率压缩变形的 钢发生了不完全动态再结晶再结晶晶粒尺寸较细小有动态回复现象部分位错消失 以.的应变速率压缩变形时如图()所示再结晶较充分再结晶晶粒增多晶粒尺寸也增大导致先、后形成的动态再结晶晶粒尺寸不同从而组织不均匀显示出连续动态再结晶的特征图()图()表明以较低的应变速率压缩变形时钢的组织为等轴晶粒并且在 以.的应变速率压缩变形时发生了完全动态再结晶原有再结晶晶粒均为等轴晶粒且晶界无新的再结晶晶粒 对比图()和图()发现应变速率较高时即使变形温度相同如图()所示再结晶基本完成如图()所示钢中仍存在条状晶粒再结晶并未完全如图()图()所示在 、热处理 年第 卷 第 期图 钢在 ()、()、()和 ()以.()和()的应变速率压缩试验后的显微组织 和 以 的应变速率压缩试验后钢的组织变化与图()图()所示的相似但在 以.和 的应变速率压缩变形的钢组织主要为未充分长大的动态再结晶晶粒 晶界呈不规则锯齿状而且部分锯齿状晶界交叉呈“”形有明显的等轴晶变形温度相同如图()和图()所示在 以.和 的应变速率压缩变形的钢应变量增加错配现象增多这些位错与基面位错相互作用形成亚晶界亚晶界切断晶粒的“凸出”部分 在变形过程中这些亚晶界不断积累位错取向差增大成为大角度晶界并且由于动态再结晶过程中发生的重复形核降低了晶粒的长大驱动力在较低的温度以较大的应变速率压缩变形时动态再结晶晶粒较小新的再结晶晶粒的长大也更快速文献表明动态再结晶的发生取决于变形金属的位错积累动态回复则是由于变形产生的部分位错通过交滑移和攀移相互抵消所致 如 钢在 变形时仅发生动态回复在 变形时仍发生动态回复并形成少量再结晶晶粒在 和更高温度变形的钢再结晶更充分纤维状再结晶晶粒增多动态再结晶晶粒更细小新生再结晶晶粒长大也更快速在较低的温度以较高的应变速率压缩变形时更明显.应力应变曲线特征图 为 钢在 、和 压缩变形的真应力真应变曲线 总体上 钢的应力应变曲线呈现上升趋势即流动应力随着真应变的增大而增大图 表明由于变形温度不同 钢的真应力也发生了明显的变化 压缩变形的钢真应力的增大更为明显说明该温度发生的动态再结晶机制可能与其他变形温度不同 结合图()和图()可以得出在该温度压缩变形时主要发生动态回复动态再结晶尚未发生或不明显 应变速率相同变形温度越高钢的真应力越小且变化明显在 压缩变形的钢真应力比 压缩变形的钢降低了/多表明高温流变应力随变形温度的热处理 年第 卷 第 期降低而增大即对变形温度的变化较敏感变形温度相同随着应变速率的增大应力应变曲线向下移动且趋于平缓说明高温流变曲线除受变形温度影响外对应变速率的变化也很敏感流变应力随应变速率的增加而增大在 和更高温度压缩变形的钢流变曲线均出现较明显的峰值一般出现在应变速率为.范围内且应变速率增大曲线峰值向右移动 结合图 可知再结晶发生在 及更高温度并在 时再结晶较充分应变速率较高时再结晶不如应变速率较低时的充分 应力值超过曲线峰值后再结晶软化效应大于加工硬化效应即热压缩变形过程中回复和再结晶受应变硬化速率的影响动态回复的发生体现在应变硬化速率与应力曲线的变化 在相同的热压缩变形条件下应变速率越大对再结晶的阻碍作用越大导致流变曲线的峰值也越晚出现图 在 ()、()、()和 ()压缩试验过程中 钢的真应力真应变曲线 图 所有流变曲线在出现峰值后均有一段明显的软化曲线这是由再结晶非常充分所致 具体地说就是在应变速率为.时流变曲线较平缓虽已发生了动态再结晶软化但加工硬化仍很明显 随着应变速率的增大由于再结晶加快流变曲线也出现较明显的应力下降 应变速率超过.流变曲线上的应力升高其原因为动态再结晶的发生在一定程度上平衡了 钢中尚未再结晶部分的持续应变硬化导致曲线超过临界点后应力仍继续增大直至软化 加工硬化与动态回复产生的软化接近平衡加工硬化率趋于零出现应力不随应变而增大的稳定状态 应变速率大于.时钢的加工硬化的影响再次大于回复再结晶导致的软化效应曲线继续上升如图()灰线和黑线所示流变应力曲线无明显峰值但如图()和图()所示在 以.和 应变速率压缩变形的 钢的显微组织具有连续动态再结晶特征 说明 钢流变应力曲线没有明显的峰值也可能与发生动态再结晶有关如图 所示随着压缩变形温度的升高钢发生动态再结晶的流动应力先增加达到某个峰值后趋于稳定 其原因主要为开始时流变曲线受加工硬化的影响达到峰值前发生动态再结晶加工硬化与回复再结晶导致的软化同时发生最终达到一个较稳定的应力值即稳态流变应力 总之变形热处理 年第 卷 第 期温度越高临界流变应力越小如图()和图()所示在 以.和 的应变速率压缩变形的钢部分晶界呈链状在图 中反映为流变曲线上升趋势减缓 图()所示的应变速率为.的曲线部分下降可能与连续动态再结晶过程中产生重复形核、新晶粒的长大受到限制平均晶粒尺寸发生变化有关 钢的流变曲线上的流动应力虽总体上呈上升趋势但与应变速率不是线性相关 回复软化过程中流动应力的增大受材料连续动态再结晶和动态回复等软化效应的共同影响 同时流变曲线的应变速率、流动应力与变形温度之间的关系体现在流变曲线对温度的敏感性即材料受温度的影响较大 钢的流动曲线表明低温下增大应变速率对增加流动应力的作用较小应力增大值随变形温度的降低而减小 但图 表明 钢的流变曲线即使没有出现明显的峰值其显微组织仍具有连续再结晶特征如图()所示有明显的再结晶晶粒对应的应力应变曲线并没有出现峰值在热压缩变形过程中 钢虽受到回复和再结晶的影响导致流变曲线出现明显的峰值和回复软化现象但最终在回复再结晶导致的软化与加工硬化相比加工硬化效应更明显流变曲线的加工硬化特征更明显 同样动态回复和动态再结晶受变形温度和应变速率的影响高温流变应力随变形温度的降低和应变速率的增加而增大 结论()在热压缩变形过程中变形温度和应变速率的变化明显影响新型核电用 马氏体耐热钢的动态回复和动态再结晶的发生 在 左右热压缩变形的钢主要发生动态回复在 压缩变形的钢发生动态再结晶高于 压缩变形的钢在较低的应变速率下再结晶完全且再结晶引起的软化效应大于加工硬化效应()以相同的应变速率压缩变形的 钢的高温流变应力随着变形温度的上升而减小变形温度相同应力随着应变速率的增大而增大 在变形温度较高且材料发生完全动态再结晶时流变应力曲线出现明显的峰值变形温度较低且动态再结晶进行不完全甚至完全没有再结晶时钢的流变应力曲线没有明显的峰值 升高变形温度或降低应变速率均有利于 钢在热压缩变形过程中发生动态再结晶()在 以 的应变速率压缩变形的 钢晶粒较均匀细小参考文献 薄鑫涛.新能源简介.热处理():.徐小舒.核能获得越来越多青睐.中国电力报().李夏刘松林张小康等.核用结构材料 钢低活化特性的分析与比较.核聚变与等离子体物理():.杨柯严 伟王志光等.核用新型耐高温、抗辐照、耐液态金属腐蚀结构材料 钢的研究进展.金属学报():.苗鑫陈思杰丁光柱等.焊接压力对 钢 扩散焊接头组织性能的影响.兵器材料科学与工程():.王海张磊严伟等.等温淬火对 钢显微组织与蠕变性能的影响.金属热处理():.胡鹏浩.非均匀温度场中机械零部件热变形的理论及应用研究.合肥:合肥工业大学.何运斌潘清林覃银江等.镁合金热变形过程中的动态再结晶动力学.中国有色金属学报():.曹金荣刘正东程世长等.应变速率和变形温度对 耐热钢流变应力和临界动态再结晶行为的影响.金属学报():.欧阳德来.和 钛合金 锻组织演变及动态再结晶行为研究.南京:南京航空航天大学.():.():.():.():.():.():./(/).():热处理 年第 卷 第 期