應力狀態(tài)對316LN鋼高溫塑性的影響

應力狀態(tài)對316LN鋼高溫塑性的影響

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，能源制約已經成為我國經濟健康發(fā)展的瓶頸，為此，我國提出積極發(fā)展核電的政策［1］.核電主管道是核電蒸汽供應系統(tǒng)輸出堆芯熱能的“大動脈”，是核電站的核一級關鍵部件之一［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］，在鍛造過程中容易產生裂紋，嚴重影響核電裝備的制造.

本文采用物理實驗與數(shù)值模擬相結合的方法，研究應力狀態(tài)對316LN鋼高溫塑性的影響，這對預測316LN鋼在鍛造過程裂紋的產生具有一定的指導意義.

1 高溫拉伸實驗

1.1 實驗設備和材料

在Gleeble－1500D熱模擬實驗機上進行高溫拉伸實驗，材料為316LN鋼，其化學成分如表1所示，試樣尺寸為:○/10.0 mm×121.5 mm，預制缺口半徑分別為 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 實驗流程

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.抽真空后開始拉伸直至斷裂，實驗流程如圖2所示.變形溫度為950℃ ～1 200℃，間隔為50℃，應變速率為0.5 s－1.得到不同變形條件下的真應力－真應變曲線如圖3所示.

圖2 實驗流程圖
Fig.2 Flow chart of experiment

1.3 實驗結果

根據(jù)真應力－真應變曲線得到溫度950℃～1 200℃、應變速率0.5 s－1條件下試樣的斷裂應變，如圖4所示.通過對拉斷后試樣斷口部位進行測量計算，得到溫度950℃～1 200℃、應變速率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，對于缺口試樣，在950℃～1 120℃，隨著缺口半徑的增大，斷裂應變增大，斷面收縮率增大，塑性增大;在1 120℃～1 200℃，隨著缺口半徑的增大，斷裂應變減小，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變大，斷面收縮率大，塑性好.由于試樣缺口半徑不同，反映應力狀態(tài)不同，這說明應力狀態(tài)對試樣塑性有一定的影響.

2 應力三軸度分布

2.1 應力三軸度

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

2.2 缺口拉伸試樣應力三軸度分布

通過對缺口拉伸試樣進行有限元數(shù)值模擬計算，得到試樣剛開始拉伸時最小橫截面部位的應力三軸度分布，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力，根據(jù)應力三軸度計算公式可知，應力三軸度約為0.33.這說明隨著缺口半徑的增大，應力三軸度減小［6-7］.

圖3 應變速率0.5 s－1，真應力－真應變曲線
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力三軸度分布
Fig.6 Distribution of stress triaxiality in minimum cross section of notched tensile specimens

結合圖5看出:對于缺口試樣，在950℃～1 120℃，隨缺口半徑的增大，應力三軸度減小，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，應力三軸度減小，試樣斷面收縮率減小，材料塑性減小.對于光滑試樣(缺口半徑為∞)，相同條件下塑性**.

3 結果討論

對于缺口試樣，在950℃～1 120℃，由于在高溫下變形，4種試樣在變形過程中均會發(fā)生動態(tài)再結晶，但由于缺口造成應力應變集中［9］，缺口半徑越小，應力應變集中程度越大，畸變能越高，再結晶驅動力越大，使得同時發(fā)生動態(tài)再結晶的晶粒越多，表現(xiàn)為缺口半徑越小，晶粒越細小.但由于在這個溫度范圍內，原子活動不劇烈，位錯密度較大，拉伸變形過程僅發(fā)生少量動態(tài)再結晶，也就是4種缺口試樣的晶粒尺寸相差不大.其中1 050℃時，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.這說明材料在這個溫度范圍內動態(tài)再結晶的軟化作用不明顯，這時應力三軸度的影響起主導作用，表現(xiàn)為缺口半徑越小，應力三軸度越大，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，原子的可動性增強，位錯運動比較容易，位錯相互消毀和重組更加完善和徹底，導致位錯密度顯著降低［9］.在這個溫度范圍內，4種試樣在拉伸變形過程中均發(fā)生明顯動態(tài)再結晶，再加上缺口半徑越小，應力應變集中程度越大，畸變能越高，再結晶驅動力越大，使得同時發(fā)生動態(tài)再結晶的晶粒越多，這就導致缺口半徑越小，晶粒尺寸越細小，也就是4種缺口試樣的晶粒尺寸明顯不同.其中1 150℃時，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缺口試樣明顯細很多.由于晶粒越細，晶粒內的空位數(shù)目和位錯數(shù)目越少，位錯與空位以及位錯間的彈性交互作用的機遇相應就越少，位錯將易于運動，也即表現(xiàn)出的塑性越好;此外，細晶粒為同時在更多的晶粒內開動位錯和增殖位錯提供了機遇，也即細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，晶粒尺寸對材料塑性的影響起主導作用，表現(xiàn)為缺口半徑越小，應力三軸度越大，斷面收縮率越大，塑性越好.

對于光滑試樣，由于應力三軸度最小，試樣開始拉伸時沒有應力應變集中產生，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 結論

1)通過數(shù)值模擬，得到剛開始拉伸時缺口試樣最小截面應力三軸度分布: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鋼高溫塑性與應力三軸度和晶粒尺寸有關.如果晶粒尺寸相差不明顯，應力三軸度起主導作用，應力三軸度越小，塑性越好;如果晶粒尺寸相差明顯，晶粒尺寸起主導作用，應力三軸度越小，塑性越差.

3)對于光滑試樣，與缺口試樣相比，相同條件下，其塑性**.