实际生产过程中

实际生产过程中，钢在变形的过程中会产生一定的变形抗力，变形抗力会阻碍塑性变形的发生，因此，实际变形过程中要尽量选择合理的生产参数减小变形抗力的产生。对于管线钢的轧制，目前国内外各大钢厂多采用热轧的生产工艺，在实际热变形过程中可控制的基本变量为应变速率和变形温度，在保证其中一个参数恒定的前提下，我们可以研究另一个参数对变形过程的影响。目前，对于管线钢的变形抗力的影响的研究主要是在其应力-应变曲线的基础上进行的，应力-应变曲线有两种形式，即动态再结晶型和动态回复型[13]。动态回复型应力-应变曲线的产生是由于在变形初期，在未达到钢铁材料临界应变量之前，随着变形的不断进行，钢铁材料内部逐渐产生密度很高的位错，随着位错密度的不断增加，位错与位错之间会产生相互交割，阻塞，缠结网等状态，阻碍位错的进一步运动，产生加工硬化的现象。在这个阶段，钢铁材料的变形抗力会随着变形的进行不断的增大，在超过钢铁材料的临界应变量之后，材料内部储能增大到一定的程度，并且开动了更多的滑移系，这个时候，随着位错在变形过程中通过滑移和攀移的方式运动，正负位错相互抵消，同类位错相互合并，使材料的加工硬化过程得到回复，这种回复在发生加工硬化的同时发生，故称之为动态回复型。在应力-应变曲线上的表现为一条趋于平缓的曲线。图3.1.1为应变速率为10s-1时，通过ORGION软件处理得到的不同温度下实验钢的应力-应变曲线。由图3.1可知，在应变量为0到0.1的范围内，实验钢呈现典型的弹性变形趋势，此阶段金属内部阻碍变形产生升的变形抗力明显增大，此阶段的变形较难进行，随着变形温度的升高，出现了明显的屈服平台，应力-应变曲线呈现为不平稳的状态为波动的曲线，这是由于奥氏体晶粒在长大的过程中，晶界会产生一定的钉扎力阻止其长大的过程，是随着温度的增加，金属内部激活能增加，会促进晶界发生脱钉的过程，在钉扎和脱钉的过程之中金属组织内部会产生一定的柯氏气团，造成了屈服平台的产生。随着温度的升高，金属内部储能达到一定的程度，柯氏气团会随着位错移动，此时应力-应变曲线上的屈服平台逐渐消失，在超过实验钢的弹性极限经过屈服平台之后，在应变量为0.1到0.2的范围内，应力-应变曲线表现为加工硬化形式，加工硬化是指金属材料在再结晶温度以下进行加工过程的中，由于发生晶粒间的滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，这个过程会使金属材料出现强度和硬度升高，塑性和韧性降低的现象[14]。因此，金属内部阻止金属变形的变形抗力在此过程中呈现明显的上升趋势。在应变量超过0.2时应力-应变曲线表现为典型的动态回复形式，再此过程中金属内部会发生动态回复与动态再结晶的形式与变形过程中产生的变形抗力相平衡，在此阶段应力-应变曲线趋于平缓。由实验得到的应力-应变曲线图3.1可知，相同的变形量下，变形温度高时的变形抗力与低变形温度时的变形抗力相比较小，据此，我们可以得出结论，变形抗力的大小随着变形温度的升高而降低。如图3.2所示，二者之间呈现一种线性关系。从金属内部组织来看，这是因为随着变形温度的升高，金属内部的原子动能会逐渐增加，为了降低能量变化的趋势，金属内部位错的活动加剧，促进了位错的滑移和攀移，进而出现更多新的滑移系，这些滑移系使正负位错相互合并，同类位错相互抵消。位错间的这些活动改善了晶粒间的协调性，减少了位错的堆积，使变形抗力减小。此外，温度升高，在位错的滑移过程中，会出现更多位错的消失与重新排列，使变形过程中更容易发生动态回复与动态再结晶两类对材料的软化过程起到促进的效应，进而与塑性变形过程中产生的加工硬化现象相抵消，能够更好的实现金属的软化。3.1.2变形温度对X100管线钢显微组织的影响在材料学的研究领域中，显微组织是金属性能的一个重要特征，它是金属性能内在的体现，在一定程度上来说，金属外在性能的改变是由于其内部显微组织变化所引起的。国内外对于金属显微组织的研究是金属材料的一个重要领域，到目前为止高级别管线钢X100尚处于研发试制阶段，现有资料研究表明其显微组织主要由粒状贝氏体、针状铁素体，贝氏体铁素体或下贝氏体和少量的马氏体岛状结构组成。图3.2为实验钢在变形速率为10s-1时，不同变形温度下的X100管线钢的显微组织图片，由图片可以看出，本实验用的X100管线钢的显微组织是以粒状贝氏体为主要的基体上带有少量的贝氏体铁素体，在铁素体内部分布着少量的M/A岛。贝氏体是一种呈羽毛状分布的基体，由于粒状贝氏体含量较高，因此，X100较低级别管线钢相比具有更好的强度和韧性。在钢铁材料的热轧过程中，材料存在一个重要的参数即动态再结晶临界变形量，在超过动态再结晶临界变形量时，动态再结晶才会发生，此时变形抗力的大小将降低。随着温度升高，临界变形量成下降的趋势，因此，动态再结晶现象更容易发生。X100管线钢硫元素含量较低，在其熔点温度区间热加工一般不会有热脆现象发生。因此，在X100管线钢的轧制过程中，在符合产品质量的要求前提下，高温区应采用尽可能大变形，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。由图（d）~（f）可以看出不同变形温度为1000℃、1050℃、1100℃时在晶界处，存在未完全长大的晶粒，且晶界并无受到破坏无明显的加工硬化现象，因此可以说明，这些温度下，实验钢的主要软化机制为回复和再结晶且进行的较为完全，与图3.1的应力-应变曲线比较吻合。图（a）和图（f）做对比可以明显的看出，变形温度为850℃时的显微组织为细小的被拉长的粒状贝氏体，而1100℃时为块状结构晶粒更为粗大。这是由于随着变形温度的降低，回复过程将组织内部存在的大量缺陷通过回复过程消除或者减少，铁素体晶粒和贝氏体晶粒可以在更多的地方形核，更容易形成铁素体和贝氏体晶粒。因此，铁素体和贝氏体晶粒形核的数量增多从而在显微组织图片上出现了更多细小的晶粒组织，晶粒得到进一步的细化。结合变形温度对X100变形抗力的影响，选取适合的变形温度为1000℃。3.2变形速率对X100管线钢高温力学行为和显微组织的影响实际生产过程中，钢铁材料在变形的过程中会产生变形抗力，变形抗力是一种会对塑性变形过程中钢铁材料的软化过程起到阻碍的作用的不好因素，钢铁材料的轧制会受到其阻碍，因此，在实际轧制生产过程中要控制变形抗力的大小，现有的研究表明对变形抗力的影响因素主要有变形温度、变形速率以及变形量，在这三个因素中，变形抗力对变形温度、变形速率较为敏感，在前文中已经对变形温度对变形抗力及显微组织的影响作出了研究，本节中，主要针对另一个主要影响因素变形速率对变形抗力和显微组织的影响进行研究。在材料学中，显微组织是钢铁材料性能的一个重要特征，据现有的研究表明，材料某些性能的变化，实际上就是材料内部显微组织的变化所引起的。3.2.1变形速率对X100管线钢高温力学行为的影响图3.4（a）和图3.4（b）分别为变形温度为1050℃和900℃时不同应变速率下实验钢的应力-应变曲线。由图3.4（a）可见，变形速率，变形温度，以及变形量等热变形参数都会对变形抗力的大小产生一定的影响。在变形速率为0.5,1,5s-1变形量超过0.2时实验钢的应力-应变曲线呈现动态回复的形式，在0.1s-1时呈现明显的动态再结晶形式。应力-应变曲线的形式主要有动态回复和动态再结晶两种，前文已经对动态回复型应力-应变曲线做出了介绍，对于动态再结晶型的曲线，该现象的产生是由于在变形的过程中随着变形量的不断增加，材料内部的位错密度会大幅度的提高，内部储存能也继续增加，当变形量达到一定程度时（超过其临界变形量）材料将使奥氏体发生另一种转变即动态再结晶，动态再结晶的发生可以在材料晶界处形成更多细小未长大的晶粒，使晶粒得到进一步的细化，从而提高了材料的韧性，能够消除加工硬化现象，使材料实现更好的软化变形。在应力-应变曲线上的表现为在超过一定应变量后缓慢下降的曲线。由于动态再结晶过程可以加强晶粒细化，因此，该过程对于加强钢铁材料的强度和韧性是有一定帮助的。由曲线可知，在相同的变形量以及相同的变形温度下，实验钢的变形抗力随着变形速率的增大而变大，呈非线性的关系，变化趋势如图3.5所示。这是由于金属的塑性变形过程中随着位错的消失与重新排列会产生动态回复与再结晶等软化机制[14]。并且，这两种软化机制可以与塑性变形过程中金属产生的加工硬化相互抵制。随着变形速率的增加，位错的移动和产生速率会加快，容易造成位错的堆积，产生加工硬化，增大了金属的变形抗力[[16]。另外，变形速率的增大会使金属完成塑性变形的时间减少使金属没有足够的时间软化，而且，位错的滑移和攀移的数量会大大减少，不利于回复与再结晶的实现。3.2.2变形速率对显微组织的影响图3.6为实验钢在变形温度为1050℃时不同变形速率下的显微组织图片，实验钢的显微组织为粒状贝氏体、贝氏体铁素体以及少量的M/A岛。变形速率不同的情况下，显微组织也有所不同。在变形速率为0.1s-1时（图3.6（a））在晶界处存在大量的细小的未长大的晶粒，并且无明显的加工硬化现象晶界没有收到破坏，结合实验钢的应力-应变曲线可知，在这种情况下发生了动态再结晶的现象。这是由于较低的变形速率积累了更多的畸变能，达到了再结晶所需的再结晶激活能，因此低的变形速率更有利于再结晶行为的发生[17]。热加工过程中，动态再结晶过程的发生有一个必要的因素，即对金属施加的变形量超过动态再结晶临界变形量，在这种情况下，金属内部流变应力会降低，再结晶发生的开始应变量-临界应变量也会有所降低，因此，再结晶现象更容发生，材料能够实现更好的软化。变形速率的增加会使变形过程中X100管线钢内部的变形抗力增大，阻碍变形的产生，但是会使晶粒得到细化，使其韧性增加[18]。因此，在实际生产的过程中，在不影响强度韧性的前提下，要尽量采取较低的变形速率对X100管线钢进行热变形，以获得更好的性能，实现更大的经济效应。图3.6（b）中显微组织有针状铁素体，和少量羽毛状的贝氏体，且晶粒大小不均与。图（c）中贝氏体消失，出现了大量细小的粒状贝氏体晶粒，形状较为均匀，基体内分布着M/A岛，存在着一定数量的大尺寸的晶粒。（d）中晶粒再结晶更为完全，粒状贝氏体晶粒更为细小均匀。据此，我们可以得出以下结论。在的情况下，材料的晶粒的尺寸随着变形速率逐渐增大会逐渐减小，晶粒得到了细化。在微观角度分析，这是因为为了获得相同的变形量，变形速率较低所需的变形时间较长，晶体内部的缺陷通过回复作用和再结晶作用而大量减少。在相同的变形量下，变形速率越快，加工硬化现象越明显，变形所需的储能越多。因此，铁素体及贝氏体晶粒在奥氏体晶粒的晶界和缺陷处形核的数量较低速形变时有所减少[19]。在变形速率加快的情况下，材料完成变形的时间逐渐减少，变形不完全，晶体内部缺陷以及位错增加。因此，晶粒核率增加，得到更多细小的组织。结合变形速率对变形抗力的影响，选取5s-1为合适的变形速率。3.3X100管线钢Z参数的确定现有的研究表明，钢铁材料在热变形过程中会发生动态再结晶现象，促进其软化过程的进行，在动态再结晶现象的研究领域,Zener-Hollomon参数是一个重要研究课题，钢铁材料的临界应变量εc、峰值应力εp、动态再结晶激活能Qd、晶粒长大后的晶粒尺寸都可以通过Z参数来确定。前人在对于较低级别钢的动态再结晶现象研究中，做出了大量的关于Z参数的报道，本文在前人总结的基础之上，根据单道次压缩实验所得到的实验数据，结合计算软件对实验钢的Z参数进计算即：)exp(RTQZd（3.1）式中，为应变速率，s-1；T为变形温度，K；dQ为动态再结晶激活能，kj/mol；动态再结晶激活能的大小反映了材料在热轧过程中，软化变形的难易程度，是材料在热塑性变形的重要力学性能参数;其大小反映了合金热变形过程中位错开动、回复和再结晶进行的难易程度[10]。R为气体常数，8.31J/(mol.K)；，T和p之间的一个普遍使用的双曲正弦关系为)exp()][sinh(RTQAdnp（3.2）式（3.2）中，A，和n为与钢种成分有关的参数；值为0.012~0.013，此处取0.