一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法与流程

本发明属于海洋工程用钢加工技术领域，特别涉及一种低合金高强度钢热加工区间的确定方法。

背景技术：

海洋工程用钢是海洋结构物建造中的关键材料，必须具有高强度、高韧性、耐腐蚀等特性，因此高强钢、耐蚀钢的应用越来越普遍，且要求越来越高。而海底井口和采油装备是海洋油气开发工程中的重要单元装备，也是海底采油系统的组成。由于处于海底高压、低温、海水和油气腐蚀等恶劣的工况下，海底装备的性能和质量对油井安全起着至关重要的作用。近年来，我国海洋石油装备材料虽已取得长足进步，但与国际水平相比，仍然存在诸多差距和不足，难以满足我国海洋石油装备的发展需求。我国尚未拥有实施深海油气勘探开发的技术和装备，特别是水下油气勘探开发领域，所使用的关键及核心材料水下井口头锻件全部依靠进口，国产部件在性能稳定性及批量供货能力方面还与国外存在较大差距。因此，选择适用于制造海底井口用锻件的材料，设计和制造高压力级别的深海井口系统用锻件材料，并研究材料的流变行为获得材料关于塑性变形的基本参数变得尤为重要。

本专利通过热模拟试验研究该低合金钢的热压缩过程，分析不同温度及应变速率下合金的流变行为，为确定该钢的热加工生产工艺规程提供必要的实验数据和可靠的理论依据。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法。采用本发明的方法能够更准确地判断低合金高强度钢在不同条件下的热变形组织演变机制及热加工性能，对于该低合金高强度钢热加工工艺的合理制定具有重要的指导意义。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种海洋工程用低合金化高强度钢热加工温度区间的确定方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：在不同变形温度和应变速率下对低合金高强度钢进行高温压缩实验，获得低合金高强度钢的真应力-应变曲线数据。

步骤2：建立该低合金高强度钢高温流变应力本构方程，如下式所示：

式中：f(σ)为应力的函数，a为与变形无关的常数；q为变形激活能(j/mol)；r为气体常数，为8.314j/(mol·k)；t为热力学温度(k)；σ表示峰值应力(mpa)；

其中，应力函数f(σ)有以下3种表达方式：ασ<0.8为低应力水平，f(σ)＝σⁿ1；ασ>1.2为高应力水平时，f(σ)＝exp(βσ)；对于所有应力状态下f(σ)＝[sinh(ασ)]ⁿ；这里n为应力指数，为应变速率，n1和β为材料常数，α为应力水平参数；若求出α、a、n、q，即能够通过热变形本构方程描述材料的高温流变特征；

步骤3：根据动态材料模型建立的材料热加工图可以较为直观的反映不同温度及应变速率下材料的变形规律。描述材料功率耗散特征的功率耗散效率因子η和失稳判据可表示为：

其中m是应变速率敏感因子，同一应变量下，在温度-应变速率的二维平面上，画出η的等值线图，即功率耗散图，再绘出参数为负的区域，即热加工失稳图，将二者结合到一起得到了材料的热加工图。观测低合金高强度钢在不同变形条件下的显微组织，和热加工图相结合，确定热加工图中的流变失稳区、动态再结晶区和动态回复区。

步骤4：将步骤2建立的本构方程和步骤3得到的热加工图结合起来研究材料的热变形行为，利用建立的本构模型预测不同变形条件下的应力应变曲线，不同的变形条件对应着热加工图中的不同位置，确定不同变形条件下的功率耗散效率因子，进而确定材料的热变形组织演变机制以及热加工温度区间。

所述的低合金高强度钢的化学成分及质量百分含量为：c：0.10％～0.80％；mn：0.40％～1.50％；si：0.10％～1.0％；cr：0.50％～2.0％；mo：0.10％～1.0％；v：0.01％～0.5％；p≤0.005％；s≤0.005％；余量为fe；

步骤1中所述的变形温度为850～1200℃，变形温度的间隔区间为100℃，所述应变速率分别为0.1s^-1、1s^-1、10s^-1，真应变量约为0.9。

步骤2所述α＝β/n1，而n1和β分别为和直线斜率倒数的平均数，根据最小二乘法线性回归求得此值。步骤2中的n为线性关系的斜率倒数。由式(1)对1/t求偏导得

将r、n及ln[sinh(ασ)]-1/t线性关系的斜率的值代入式(4)，便可得步骤2中的热变形激活能q和a。步骤3中的m可通过斜率得到。

本发明的优点和有益效果

本发明方法结合热变形本构方程和热加工图，利用热加工图和本构方程两种方法相互印证，从而能够更准确地判断不同条件下的热变形组织演变机制及热加工区间，得到一定变形条件下材料的热变形及动态再结晶信息，从而给材料的热加工过程提供重要参考。

附图说明

图1为不同变形条件下热压缩真应力-应变曲线，

图2为应变速率为0.1s^-1时在不同变形温度压缩后的显微组织，(a)850℃；(b)950℃；(c)1050℃；(d)1150℃。

图3为热加工图，(a)真应变为0.6；(b)真应变为0.8。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法。

所述的低合金高强度钢的化学成分及质量百分含量为：c：0.37％；mn：0.84％；si：0.22％；cr：0.95％；mo：0.2％；v：0.033％；p：0.008％；s：0.0028％；余量为fe。

该方法包括以下步骤：

步骤1：在变形温度为850～1200℃，变形温度的间隔区间为100℃，所述应变速率分别为0.1s^-1、1s^-1、10s^-1，真应变量为0.9的热变形条件下，对该低合金钢进行高温压缩实验，获得该低合金高强度钢的真应力-应变曲线，如图1所示，其中由图中可以看出，在相同应变速率下，峰值应力随着变形温度升高而逐渐下降，在相同变形温度时，峰值应力随着应变速率增大而逐渐增大。在变形开始阶段，应力随着应变的增加而急速上升，主要是因为试样经过一段时间的高温保温过程后，发生了充分的再结晶，试样经压缩变形后位错增殖导致加工硬化。随着试样变形量增加，晶粒内部位错通过交互作用发生重组。随着试样应变进一步增加，位错密度也随之增大，激发动态再结晶，应力达到峰值后逐渐下降。在随后的变形过程中，动态再结晶产生的软化效果与应变增加产生的加工硬化效果相抵消，变形进入稳态阶段。从图1中还可以看出，在1000℃及其以下温度(如950℃)，应变速率较低(如0.1s^-1)时，随着变形量增加，流变应力持续增大到峰值应力。而在1050℃及其以上温度发生变形时，流变应力随着变形量增加而增大，当达到峰值后有较为明显的软化现象。而且变形温度越高且应变速率越低时，软化效果就会越明显，即表现出更明显的动态再结晶行为特征，发生动态再结晶。

步骤2：建立该低合金钢高温流变应力本构方程，如下式所示：

式中：f侰σ)为应力的函数，其中a为与变形无关的常数；q为变形激活能(j/mol)；r为气体常数，为8.314j/(mol·k)；t为热力学温度(k)；σ表示峰值应力(mpa)；

应力函数f(σ)有以下3种表达方式：低应力水平时(ασ<0.8)f(σ)＝σⁿ1；高应力水平时(ασ>1.2)f(σ)＝exp(βσ)；对于所有应力状态下f(σ)＝[sinh(ασ)]ⁿ；这里n为应力指数，为应变速率，n1和β为材料常数，α为应力水平参数；其中α＝β/n1求得，而n1和β分别由和直线斜率倒数的平均数，根据线性回归求得此值，最后可得得β＝0.0868，n1＝9.682，求解后α＝0.0896。n为线性关系的斜率倒数5.884。再由式(1)对1/t求偏导得

将r、n及ln[sinh(ασ)]-1/t线性关系的斜率的值代入式(4)，便可得热变形激活能q＝427.469kj/mol和a＝e^26.43。最后得到该低合金钢的热变形本构方程为：

图2所示为应变速率为0.1s^-1时不同温度压缩后低合金高强度钢的组织形貌图。从图2(a)和(b)可以看出，在850和950℃压缩时，发生不同程度的再结晶，出现少量长条状再结晶晶粒。且试样产生明显变形带，说明晶粒在压缩过程中被拉长。图2(c)为1050℃压缩下变形组织，可以看出发生再结晶过程，且晶粒细小。而在图2(d)1150℃下压缩时可以看到晶粒明显长大，由于温度升高，温度越高，原子热激活能量越高，元素扩散、位错滑移和攀移以及晶界迁移的驱动力更大，更容易发生动态再结晶。

步骤3：根据动态材料模型建立的材料热加工图可以较为直观的反映不同温度及应变速率下材料的变形规律。描述材料功率耗散特征的功率耗散效率因子η和失稳判据可表示为：

其中m是应变速率敏感因子，可通过斜率得到。同一应变量下，在温度-应变速率的二维平面上，画出η的等值线图，即功率耗散图，再绘出参数为负的区域，即热加工失稳图，将两者结合到一起即得到了材料的热加工图。如图3所示，分别为该低合金钢在真应变量为0.6和0.8时的热加工图。在能耗图中阴影区域为流变失稳区，在该区域变形效率值低。其他区域代表变形稳定区。在后续加工过程中，应避免在失稳区变形。

当应变量为0.6时的热加工图如图3(a)所示，应变速率在2.33～10s^-1时，在1100～1200℃范围内，该钢处于热加工变形的失稳区。应变速率较高时，材料在晶粒界面或相界面处更容易发生滑移，导致界面处产生严重的应力集中，从而引起界面开裂。当应变速度低于2.33s^-1时，整个850～1200℃范围内，该钢处于热加工变形的安全区。

当应变量为0.8时的热加工图如图3(b)所示，失稳区主要分布在900℃以下，应变速率在0.1～10s^-1以及温度在1050～1150℃，应变速率在3～10s^-1处。主要是因为随着应变量增大，材料变形较剧烈，位错急剧增加，形成大量缺陷。温度较低，应变速率较大时，位错密度增大容易形成应力集中，从而产生微区裂纹导致失效。因此，该低合金钢的最佳热加工变形条件范围确定为：温度在950～1100℃，应变速率在0.1～1s^-1。

本发明的一种低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法，结合热变形本构方程和热加工图，利用加工图和本构方程两种方法相互印证，从而能够更准确地判断不同条件下的热变形组织演变机制及热加工性能，得到一定变形条件下材料的热变形及动态再结晶信息，从而给材料的热加工过程提供重要参考。