應(yīng)力狀態(tài)對(duì)316LN鋼高溫塑性的影響

應(yīng)力狀態(tài)對(duì)316LN鋼高溫塑性的影響

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源制約已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的瓶頸，為此，我國(guó)提出積極發(fā)展核電的政策［1］.核電主管道是核電蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能的“大動(dòng)脈”，是核電站的核一級(jí)關(guān)鍵部件之一［2］.其用鋼為316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼，該鋼種塑性差、變形抗力大［3-4］，在鍛造過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響核電裝備的制造.

本文采用物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究應(yīng)力狀態(tài)對(duì)316LN鋼高溫塑性的影響，這對(duì)預(yù)測(cè)316LN鋼在鍛造過(guò)程裂紋的產(chǎn)生具有一定的指導(dǎo)意義.

1 高溫拉伸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

在Gleeble－1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，材料為316LN鋼，其化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸為:○/10.0 mm×121.5 mm，預(yù)制缺口半徑分別為 0.5、1.0、2.0、4.0 mm 和∞ (光滑試樣)，如圖1所示.

表1 316LN鋼化學(xué)成分
Table 1 Chemical composition of 316LN steel %

圖1 缺口拉伸試樣
Fig.1 Notched tensile specimen

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

先將試樣以10℃/s的速度加熱至1 200℃，保溫2 min后再以5℃/s的速度降溫到變形所需溫度，保溫1 min以消除溫度梯度.抽真空后開(kāi)始拉伸直至斷裂，實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示.變形溫度為950℃ ～1 200℃，間隔為50℃，應(yīng)變速率為0.5 s－1.得到不同變形條件下的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線如圖3所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖
Fig.2 Flow chart of experiment

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線得到溫度950℃～1 200℃、應(yīng)變速率0.5 s－1條件下試樣的斷裂應(yīng)變，如圖4所示.通過(guò)對(duì)拉斷后試樣斷口部位進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，得到溫度950℃～1 200℃、應(yīng)變速率0.5 s－1條件下試樣的斷面收縮率，如圖5所示.從圖4和圖5可見(jiàn)，對(duì)于缺口試樣，在950℃～1 120℃，隨著缺口半徑的增大，斷裂應(yīng)變?cè)龃螅瑪嗝媸湛s率增大，塑性增大;在1 120℃～1 200℃，隨著缺口半徑的增大，斷裂應(yīng)變減小，斷面收縮率減小，塑性減小.相比缺口試樣，光滑試樣(缺口半徑為∞)在相同條件下斷裂應(yīng)變大，斷面收縮率大，塑性好.由于試樣缺口半徑不同，反映應(yīng)力狀態(tài)不同，這說(shuō)明應(yīng)力狀態(tài)對(duì)試樣塑性有一定的影響.

2 應(yīng)力三軸度分布

2.1 應(yīng)力三軸度

應(yīng)力三軸度Rσ=σm/(σm是平均應(yīng)力，σ為等效應(yīng)力)代數(shù)值反映應(yīng)力場(chǎng)中三軸應(yīng)力狀態(tài)和對(duì)材料變形的約束程度，直接影響各點(diǎn)塑性變形的大小及斷裂應(yīng)變大小.對(duì)特定材料在一定范圍內(nèi)，Rσ值大，應(yīng)力狀態(tài)偏于受拉狀態(tài)，材料易于拉斷;Rσ值小，應(yīng)力狀態(tài)偏于受壓，材料不易發(fā)生拉斷，材料易于剪斷［5］.

2.2 缺口拉伸試樣應(yīng)力三軸度分布

通過(guò)對(duì)缺口拉伸試樣進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，得到試樣剛開(kāi)始拉伸時(shí)最小橫截面部位的應(yīng)力三軸度分布，如圖6所示.

從圖6看出:缺口半徑為0.5 mm的試樣最小橫截面部位的應(yīng)力三軸度范圍為:0.70～1.28;缺口半徑為1.0 mm的試樣為:0.57～1.09;缺口半徑為2.0 mm的試樣為:0.440～0.985;缺口半徑為4.0 mm的試樣為:0.340～0.791;光滑試樣(缺口半徑為∞)，由于頸縮前受單向拉應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力三軸度計(jì)算公式可知，應(yīng)力三軸度約為0.33.這說(shuō)明隨著缺口半徑的增大，應(yīng)力三軸度減小［6-7］.

圖3 應(yīng)變速率0.5 s－1，真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線
Fig.3True stress-true strain curves(ε·=0.5 s－1)

圖4 不同缺口試樣的斷裂應(yīng)變
Fig.4 Fracture strain of different notched specimens

圖5 不同缺口試樣的斷面收縮率
Fig.5 Area reduction of different notched specimens

圖6 缺口拉伸試樣最小橫截面部位應(yīng)力三軸度分布
Fig.6 Distribution of stress triaxiality in minimum cross section of notched tensile specimens

結(jié)合圖5看出:對(duì)于缺口試樣，在950℃～1 120℃，隨缺口半徑的增大，應(yīng)力三軸度減小，試樣斷面收縮率增大，材料塑性增大;在1 120℃～1 200℃，隨缺口半徑的增大，應(yīng)力三軸度減小，試樣斷面收縮率減小，材料塑性減小.對(duì)于光滑試樣(缺口半徑為∞)，相同條件下塑性**.

3 結(jié)果討論

對(duì)于缺口試樣，在950℃～1 120℃，由于在高溫下變形，4種試樣在變形過(guò)程中均會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但由于缺口造成應(yīng)力應(yīng)變集中［9］，缺口半徑越小，應(yīng)力應(yīng)變集中程度越大，畸變能越高，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，使得同時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒越多，表現(xiàn)為缺口半徑越小，晶粒越細(xì)小.但由于在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，原子活動(dòng)不劇烈，位錯(cuò)密度較大，拉伸變形過(guò)程僅發(fā)生少量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，也就是4種缺口試樣的晶粒尺寸相差不大.其中1 050℃時(shí)，R4.0和R0.5缺口試樣斷口處金相照片如圖7所示.

圖7 溫度1 050℃，斷口處的金相圖片
Fig.7 Metallography in fracture(θ=1 050℃)

從圖7看出，R4.0和R0.5缺口試樣斷口處晶粒尺寸相差不明顯.這說(shuō)明材料在這個(gè)溫度范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用不明顯，這時(shí)應(yīng)力三軸度的影響起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為缺口半徑越小，應(yīng)力三軸度越大，斷面收縮率越小，塑性越差.

在1 120℃～1 200℃，由于溫度更高，原子能量增加，原子的可動(dòng)性增強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)比較容易，位錯(cuò)相互消毀和重組更加完善和徹底，導(dǎo)致位錯(cuò)密度顯著降低［9］.在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，4種試樣在拉伸變形過(guò)程中均發(fā)生明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再加上缺口半徑越小，應(yīng)力應(yīng)變集中程度越大，畸變能越高，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，使得同時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒越多，這就導(dǎo)致缺口半徑越小，晶粒尺寸越細(xì)小，也就是4種缺口試樣的晶粒尺寸明顯不同.其中1 150℃時(shí)，R4.0和R0.5缺口試樣斷口處金相照片如圖8所示.

圖8 溫度1 150℃，斷口處的金相圖片
Fig.8 Metallography in fracture(θ=1 150℃)

從圖8看出，R4.0和R0.5缺口試樣斷口處晶粒尺寸相差明顯，R0.5缺口試樣比R4.0缺口試樣明顯細(xì)很多.由于晶粒越細(xì)，晶粒內(nèi)的空位數(shù)目和位錯(cuò)數(shù)目越少，位錯(cuò)與空位以及位錯(cuò)間的彈性交互作用的機(jī)遇相應(yīng)就越少，位錯(cuò)將易于運(yùn)動(dòng)，也即表現(xiàn)出的塑性越好;此外，細(xì)晶粒為同時(shí)在更多的晶粒內(nèi)開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)和增殖位錯(cuò)提供了機(jī)遇，也即細(xì)晶粒能使塑性變形更為均勻，表現(xiàn)出塑性更好［10］.因此，在這種條件下，晶粒尺寸對(duì)材料塑性的影響起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為缺口半徑越小，應(yīng)力三軸度越大，斷面收縮率越大，塑性越好.

對(duì)于光滑試樣，由于應(yīng)力三軸度最小，試樣開(kāi)始拉伸時(shí)沒(méi)有應(yīng)力應(yīng)變集中產(chǎn)生，與缺口試樣(缺口約束塑性變形，使塑性降低)相比，相同條件下，其塑性**.

4 結(jié)論

1)通過(guò)數(shù)值模擬，得到剛開(kāi)始拉伸時(shí)缺口試樣最小截面應(yīng)力三軸度分布:R0.5為0.70～1.28，R1.0為0.57 ～1.09，R2.0為 0.440 ～0.985，R4.0為 0.340 ～0.791.

2)316LN鋼高溫塑性與應(yīng)力三軸度和晶粒尺寸有關(guān).如果晶粒尺寸相差不明顯，應(yīng)力三軸度起主導(dǎo)作用，應(yīng)力三軸度越小，塑性越好;如果晶粒尺寸相差明顯，晶粒尺寸起主導(dǎo)作用，應(yīng)力三軸度越小，塑性越差.

3)對(duì)于光滑試樣，與缺口試樣相比，相同條件下，其塑性**.