Q345D鋼的熱變形抗力研究

李海陽 紀登鵬 周曉航 張 梅

(省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

Q345D鋼是一種低合金高強度工程結構鋼，具有良好的塑性、韌性、耐低溫性能、加工工藝性能和焊接性能等，被廣泛應用于石油、車輛、船舶、建筑和壓力容器等領域[1- 4]。在Q345D鋼的塑性加工過程中，其變形抗力是確定塑性加工參數的重要基礎，也是Q345D鋼的主要力學性能指標。因此，建立Q345D鋼的變形抗力模型可為Q345D鋼塑性加工控制過程提供理論基礎，從而優化生產工藝，提高產品質量。本研究利用Gleeble- 3500熱- 力模擬試驗機，對Q345D鋼進行高溫單道次壓縮試驗，分析Q345D鋼塑性加工的變形參數即變形溫度、變形速率和變形程度對Q345D鋼變形抗力的影響，建立Q345D鋼的塑性變形抗力模型。

1 試驗材料及方法

試驗材料取自尺寸600 mm×600 mm的Q345D鋼樣坯，加工成φ10 mm×15 mm的圓柱體試樣，其化學成分如表1所示。

表1 試樣的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the samples (mass fraction) %

采用Gleeble- 3500熱模擬試驗機進行單道次壓縮試驗。采取抽真空保護試樣，以免試樣在高溫下氧化。試樣以10 ℃/s的速度加熱到1 250 ℃，保溫5 min，以保證奧氏體均勻化，然后以5 ℃/s的速度冷卻到變形溫度，保溫60 s后進行壓縮試驗。變形結束后立即水淬。變形量為50.34%，即應變量為0.7；變形溫度：1 200、1 150、1 100、1 050、1 000、950、900、850、800、750 ℃；變形速率：0.01、0.1、1、10 s-1。單道次壓縮試驗工藝見圖1。

圖1 單道次壓縮試驗工藝圖Fig.1 Schematic illustration of single pass compression test

2 試驗結果與分析

2.1 真應力- 真應變曲線

圖2(a)為Q345D鋼在應變速率為0.1 s- 1、不同變形溫度下的真應力- 真應變曲線，圖2(b)為Q345D鋼在1 000 ℃變形溫度、不同應變速率下的真應力- 真應變曲線。由圖2可以看出，在一定的應變速率下，隨著變形溫度的升高，變形抗力逐漸減小，真應力- 真應變曲線由加工硬化型向動態再結晶型轉變；在一定變形溫度下，隨著應變速率的升高，變形抗力逐漸增大，真應力- 真應變曲線由動態再結晶型向加工硬化型轉變。由Q345D鋼的真應力- 真應變曲線可知，降低變形溫度和提高應變速率，均可增大試驗鋼的變形抗力，且只有在較低的變形速率和較高的變形溫度下，Q345D鋼才易發生動態再結晶。

圖2 Q345D鋼的真應力- 真應變曲線Fig.2 True stress- true strain curves for Q345D steel

2.2 變形溫度對變形抗力的影響

圖3所示為Q345D鋼在一定變形程度(ε=0.3、0.6)、不同變形速率下，變形抗力與變形溫度之間的關系。從圖3可以看出，在相同變形速率下，lnσ隨著變形溫度的升高呈直線降低的趨勢，即lnσ=aT+b。因此，變形抗力σ隨變形溫度T的升高呈指數降低關系，變形溫度T對變形抗力σ的影響系數KT可用式(1)表示：

(1)

式中：σ為變形抗力，MPa；σ0為基準變形抗力，MPa；

圖3 Q345D鋼在不同應變量和應變速率下變形抗力和變形溫度的關系Fig.3 Relationship between deformation resistance and temperature of 345D steel under different strain rates and deformation degrees

T為變形溫度，℃；A、B為與材料相關的系數。

2.3 變形速率對變形抗力的影響

(2)

圖4 Q345D鋼在不同應變量和變形溫度下變形抗力和應變速率的關系Fig.4 Relationship between deformation resistance and strain rate of Q345D steel under different temperatures and deformation degrees

2.4 變形程度對變形抗力的影響

變形程度對變形抗力的影響即應力與應變的關系。由圖2(a)可得：在低應變速率、高變形溫度，即發生動態再結晶條件下，變形抗力首先隨著變形程度的增加而快速增大，出現峰值后，變形程度繼續增加，變形抗力則逐漸減小，最后趨于穩定；而在高應變速率、低變形溫度，即發生動態硬化條件下，變形抗力則隨著變形程度的增加而不斷增大；變形抗力的增加速率與變形程度的大小成反比。由此可見，變形程度對變形抗力的影響較復雜，變形程度ε對變形抗力σ的影響系數可用式(3)表示[5]：

(3)

式中：σ0為應變量為ε0時的基準變形抗力，MPa；ε、ε0分別為應變量和基準應變量；D、E為與材料相關的系數。

3 變形抗力模型的建立與分析

3.1 變形抗力模型

對于具體鋼種而言，變形抗力主要受變形溫度、變形速率和變形程度的影響。因此，變形抗力可以表示成關于溫度、變形程度和變形速率的函數。目前有多種變形抗力模型[6- 10]，其中周紀華、管克智提出的變形抗力模型[6- 7]公式(4)，綜合考慮了變形溫度、變形速率和變形程度對變形抗力的影響，具有廣泛的適用性，因此得到了廣泛的應用。

(4)

根據以上Q345D鋼的變形條件對變形抗力的影響分析，可以看出變形條件對變形抗力的影響與周紀華等的模型相符。因此采用模型公式(4)對Q345D鋼的變形抗力進行擬合比較合理。根據最小二乘法計算方法，采用Origin軟件對試驗所得的40條真應力- 真應變曲線數據進行非線性綜合回歸，得相關系數a1～a6，如表2所示。

表2 回歸系數Table 2 Regression coefficients

將回歸系數代入模型(4)中，可得Q345D鋼的變形抗力擬合式(5)：

(5)

3.2 回歸曲線與實測曲線的比較

跟據式(5)獲得不同工藝參數(變形溫度、應變速率和變形程度)下變形抗力的擬合值，將其與壓縮試驗所得的變形抗力值進行對比，結果如圖5所示。從圖5可以看出，利用變形抗力模型式(5)計算獲得的擬合值與實測值之間的偏差較小。

圖5 變形抗力的試驗值與擬合值比較Fig.5 Comparison of the fitted and the experimented deformation resistances

為更好地說明模型的擬合程度，將真應力- 真應變曲線的模擬值與實測值進行比較，如圖6所示。從圖6中也可以看出，模型計算值與實測值吻合較好。

由于實驗設備以及試樣尺寸等因素的影響，使得試驗數據與真實數據存在一定誤差。因此，擬合曲線和試驗數據會有一定誤差。如在變形溫度為750和950 ℃、應變速率為0.1 s-1時，誤差較大，但最大誤差值不超過25 MPa；其余曲線也有誤差，但誤差值較小。

4 結論

(1)以試驗得到的真應力- 真應變曲線為基礎，分析了變形溫度、變形速率和變形程度對Q345D鋼變形抗力的影響。在應變速率和變形程度一定時，變形抗力隨著變形溫度的升高而減小；在變形溫度和變形程度一定時，變形抗力隨著應變速率的增加而增大；而在變形溫度和應變速率一定時，變形程度對變形抗力的影響較為復雜。在高變形溫度和低應變速率下， 變形抗力隨著變形程度的增加而增大，但達到峰值后由于發生了動態再結晶，變形抗力開始下降，并達到相對穩定狀態；在低變形溫度和高應變速率下，變形抗力則隨著變形程度的增加不斷增大。

圖6 不同應變速率下真應力- 真應變曲線的回歸計算結果與試驗結果比較Fig.6 Comparison of the experimental data and regression calculation value of flow stresses at different stain rates

(2)綜合考慮了變形溫度、變形速率以及變形程度對變形抗力的影響，并利用周- 管數學模型，對試驗數據進行非線性回歸，得出Q345D鋼的變形抗力數學模型，將擬合數據與試驗數據進行對比，得出該模型的擬合度較好，可投入實際應用。

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