從拉伸應(yīng)力_應(yīng)變曲線分析06Ni9鋼強(qiáng)韌性配合

1、材料熱處理技術(shù)Material &Heat Treatment 2010年11月從拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析06Ni9鋼強(qiáng)韌性配合劉東風(fēng)1,2, 陸淑娟2, 衛(wèi)英慧1, 侯利鋒1(1.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山西太原030024;2. 太原鋼鐵(集團(tuán) 有限公司技術(shù)中心, 山西太原030005摘要：選擇了4組06Ni9鋼典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析了曲線類型與其強(qiáng)韌性之間的關(guān)系。研究表明：如果成分一定，拉伸曲線上有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺，那么其強(qiáng)韌性配合良好，能夠滿足性能指標(biāo)要求。同時(shí)認(rèn)為，屈服強(qiáng)度取決于回火后偏聚于刃型位錯(cuò)周圍的碳原子濃度，而低溫沖擊韌度則取決于回轉(zhuǎn)奧氏體及其中

2、所含合金元素的數(shù)量和濃度。關(guān)鍵詞：06Ni9鋼；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；回轉(zhuǎn)奧氏體；屈服現(xiàn)象中圖分類號：TG441.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-3814(201022-0030-03Analysis on Combination of Strength and Impact Toughness fromStress -strain Curves of 06Ni9SteelLIU Dongfeng 1,2, LU Shujuan 2, WEI Yinghui 1, HOU Lifeng 1(1.College of Materials and Engineering , Taiyuan Univ

3、ersity of Technology, Taiyuan 030024, China ; 2. Technical Center , Taiyuan Iron and Steel (Group Company Ltd ., Taiyuan 030005, China Abstract ：Four group stress-strain curves with various characteristics were selected to analyze relationship between the curve characteristic and the combination of

4、strength and impact toughness. The results show that, for a given 06Ni9steel, an excellent combination of strength and impact toughness will obtain if there is an obvious yield phenomenon, i.e., yield point and yield elongation in the stress-strain curve, which means that the specimen can meet the n

5、eed of mechanical properties. At the same time, it points out that the yield strength of 06Ni9steel is determined from carbon atom concentration segregated in the vicinity of edge dislocations in the ferrite after tempering, while the impact toughness depends on the quantities of retained austenite

6、and the concentration of alloying elements dissolved in the retained austenite.Key words ：06Ni9steel; stress-strain curve; retained austenite; yield phenomenon06Ni9鋼是一種用于制作液化天然氣(LNG儲罐的低溫鋼，國外經(jīng)過多年的研究和開發(fā)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化1。我國雖然在20世紀(jì)70年代也曾立項(xiàng)研究過，但沒有形成產(chǎn)量。隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)的日趨加劇，液化天然氣的開采、運(yùn)輸和儲存成為一項(xiàng)事關(guān)國家安全的緊迫任務(wù)，由此超低溫用鋼的國產(chǎn)化提上了

7、議事日程。近年來，太鋼在國家“863”和“973”計(jì)劃支持下，在國內(nèi)率先批量生產(chǎn)出了性能合格的各種規(guī)格的06Ni9鋼板材，并開始實(shí)際應(yīng)用2。驗(yàn)，要求R el 585MPa ，R m =680820MPa ，斷后伸長率A 18%，橫向低溫沖擊功A KV (-196 80J 3。一般情況下，斷后伸長率完全能夠達(dá)到指標(biāo)要求，但偶爾會出現(xiàn)強(qiáng)度或者低溫沖擊韌度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而必須進(jìn)行二次熱處理來進(jìn)行調(diào)整，這在一定程度上增加了生產(chǎn)的難度和成本。在長期的研究開發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的形狀反映了這種鋼的強(qiáng)度和韌度配合程度，甚至能從拉伸曲線判斷某一批次鋼是否滿足強(qiáng)度和韌度要求。本文分析了幾種0

8、6Ni9鋼拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與其強(qiáng)韌性配合之間的關(guān)系，目的是揭示其中的必然聯(lián)系，并為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。06Ni9鋼經(jīng)過熱處理后，經(jīng)拉伸和低溫沖擊試收稿日期:2009-10-09基金項(xiàng)目:國家863計(jì)劃(2007AA03Z555;山西省教育廳人事廳科技開發(fā)項(xiàng)目(2009; 山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20090321072及省歸國留學(xué)人員項(xiàng)目資助作者簡介:劉東風(fēng)(1957-, 男, 山西五臺人, 高級工程師, 碩士, 主要從事軍工材料研究; 電話1實(shí)驗(yàn)材料與方法實(shí)驗(yàn)用06Ni9鋼均取自某廠大生產(chǎn)板材，化學(xué)E-mail:liudf通訊作者:衛(wèi)英慧(1966-, 男

9、, 山西萬榮人, 教授, 博士生導(dǎo)師;電話E-mail:yhwei成分滿足表1所示范圍。拉伸試驗(yàn)和低溫沖擊試驗(yàn)均在該廠技術(shù)中心經(jīng)校正的萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)及沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣為板狀試樣，板厚9mm ，30Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.22下半月出版表1實(shí)驗(yàn)用06Ni9鋼成分范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù), % 4Material &Heat Treatment 材料熱處理技術(shù)Tab.1Chemical composition of 06Ni9steel used in theexperimentation (wt,% 4CS

10、iMnPSMoVNi0.060.350.300.800.0080.0050.100.018.5010.00中沒有屈服現(xiàn)象出現(xiàn)；而完全滿足性能要求的8#和9#試樣，其拉伸曲線上，有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺，屈服后的應(yīng)變硬化速率較小，屈強(qiáng)比較高。由此可知，具有最佳強(qiáng)度和韌度配合的06Ni9鋼的拉伸曲線，其主要特點(diǎn)是有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺。生產(chǎn)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)。尺寸執(zhí)行GB/T229-2002。低溫沖擊試樣為夏氏V 型缺口試樣。2.106Ni9鋼屈服現(xiàn)象及其強(qiáng)韌性屈服現(xiàn)象(yield-pointphenomenon 包括屈服點(diǎn)2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論根據(jù)生產(chǎn)中板材力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)，選取了4(yi

11、eldpoint 和屈服平臺(yieldelongation 在多種金屬中都觀察到了這一現(xiàn)象。人們用位錯(cuò)理論對鋼的屈服現(xiàn)象進(jìn)行了很好地解釋5，主要涉及低碳鋼在退火后位錯(cuò)與間隙溶質(zhì)原子之間的相互作用。鐵素體中間隙原子碳和氮非常容易擴(kuò)散到能量較低的正刃型位錯(cuò)插入原子面的下方位置，沿著位錯(cuò)核心形成間隙原子列，這列間隙原子會與相鄰的位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)烈的彈性交互作用，釘扎位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，這就是所謂的柯氏氣團(tuán)(cottrellatmosphere。上屈服點(diǎn)就是使位錯(cuò)擺脫柯氏氣團(tuán)運(yùn)動所需要施加的應(yīng)力。位錯(cuò)擺脫柯氏氣團(tuán)后，其滑移所需要的應(yīng)力會降低，然后穩(wěn)定在一定的水平(下屈服點(diǎn) 。伴隨著變形的進(jìn)行，原來的位錯(cuò)在

12、晶粒邊界塞積，同時(shí)有新位錯(cuò)產(chǎn)生。位錯(cuò)塞積會在位錯(cuò)列尖端形成應(yīng)力集中，加上外加應(yīng)力，會啟動相鄰晶粒中的位錯(cuò)滑移的啟動和新位錯(cuò)的產(chǎn)生，由此形成了屈服平臺。屈服現(xiàn)象主要取決于位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用能和溶質(zhì)原子的濃度。溶質(zhì)原子和刃型位錯(cuò)的交互作用能可以用下式近似表示6：組試樣，其力學(xué)性能數(shù)據(jù)列于表2，分別是屈服強(qiáng)度和沖擊韌度不合格、屈服強(qiáng)度不合格、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度不合格以及性能合格之情況。不同試樣的化學(xué)成分列于表3。表2實(shí)驗(yàn)所選擇的四組試樣的力學(xué)性能Tab.2Mechanical properties of 06Ni9steel specimens組別編號R eL R mA (%/MPa /MPa

13、 56556057555052064077062566577077571075075088595569070018.019.525.019.518.5A KV /J 156766658562627436860屈強(qiáng)比說明屈服、沖擊不合格1#2#0.730.720.810.730.690.720.810.910.953#4#5#6#7#22.51681541151141827256506623.0144150154屈服不合格抗拉、沖擊不合格合格8#9#24.510714013423.0164145115注:4#、5#、6#、7#雖成分相同，熱處理工藝相同，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于爐溫控制等問題，導(dǎo)致性

14、能存在不同程度的差異。表3所選擇試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %Tab.3Chemical composition of 06Ni9steel specimens(wt,%編號U=4Gba 3(sin/r其中，G 是彈性模量，b 為位錯(cuò)的長度，為間隙原子引起的應(yīng)變，a 為位錯(cuò)核心間隙位置平均半徑，和r 分別為極坐標(biāo)變量?？梢钥闯觯绻牧弦欢?，溶質(zhì)與位錯(cuò)的交互作用能基本確定。因此，鋼的屈服現(xiàn)象主要取決于鐵素體中間隙原子的濃度，特別是偏聚于位錯(cuò)周圍的間隙原子濃度。換言之，如果偏聚間隙原子濃度偏低，屈服現(xiàn)象就不明顯或者不出現(xiàn)。C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti Al1#2#3#0.040

15、0.24000.580.0020.0020.0119.1700.0050.0030.0320.0350.24000.560.0030.0020.0309.1900.0200.0020.0300.0380.21040.54450.0030.0020.0139.2490.0050.0030.0294#、5#、0.03950.26370.56020.0020.0020.0069.3370.0040.0030.0276#、7#8#9#0.03470.25480.55160.0020.0020.0079.3040.0040.0020.0230.0380.3000.560.0020.0010.019.37

16、00.0030.0030.02606Ni9鋼力學(xué)性能不同，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯差異。屈服強(qiáng)度和沖擊韌度不合格的試樣，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線有屈服現(xiàn)象，但沒有屈服平臺6#和7#試樣拉伸曲線沒有屈服現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度超標(biāo)，低溫韌度較低，表明這兩組試樣沒有回火或者回火不完全，基體仍然是馬氏體組織，碳原子處于體心立方的間隙位置，沒有或者很少形成柯氏氣團(tuán)，因而拉伸時(shí)彈性階段結(jié)束后，直接發(fā)生了應(yīng)變硬化，形成了類似上拋物線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。表2中和組的拉伸曲線形狀介于和組(plateau；屈服強(qiáng)度不合格試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢與屈服強(qiáng)度和沖擊韌度不合格試樣的曲線基本相同，只是試樣發(fā)生屈服后，應(yīng)變硬化

17、速率較低；抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度均不合格試樣在拉伸過程熱加工工藝2010年第39卷第22期31材料熱處理技術(shù)Material &Heat Treatment之間，均有不明顯的屈服現(xiàn)象。說明馬氏體回火不足，鐵素體和間隙原子數(shù)量有限，拉伸時(shí)沒有形成足夠數(shù)量的柯氏氣團(tuán)，因而雖有屈服趨勢，但過程不完整。其中組接近組情形，組與組相近，兩種情況都導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度降低，抗拉強(qiáng)度偏高。2010年11月證，但也會影響低溫韌度。這正是06Ni9鋼具有最佳回火溫度區(qū)間的重要原因。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合理論分析，可以認(rèn)為，如果保證了06Ni9鋼成分合格穩(wěn)定，拉伸曲線上有明顯屈服現(xiàn)象時(shí)，就基本可以判定該批次板材達(dá)到

18、了強(qiáng)度和低溫沖擊韌度的指標(biāo)要求。組情況除屈服強(qiáng)度偏低之外，低溫沖擊韌度也不合要求，因此要適當(dāng)提高回火溫度，才能彌補(bǔ)強(qiáng)韌性配合不好的組織缺陷。組情況，低溫沖擊韌度已經(jīng)合格，要提高屈服強(qiáng)度，可能要重新進(jìn)行淬火回火處理。組情況可以直接進(jìn)行回火。值得注意的是，06Ni9鋼的強(qiáng)韌性配合有其自身的特點(diǎn)，即需要回火時(shí)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)奧氏體來保證低溫沖擊韌度7-10?；剞D(zhuǎn)奧氏體對屈服強(qiáng)度影響不大，主要決定06Ni9鋼的低溫沖擊韌度。回火過程包括回轉(zhuǎn)奧氏體的形成、碳和合金元素的再分配。屈服強(qiáng)度取決于這個(gè)過程中鐵素體和間隙原子的形成數(shù)量，而低溫韌度則取決于奧氏體形成數(shù)量、奧氏體中碳和合金元素含量。由于鋼中合金元素含量一定

19、，回轉(zhuǎn)奧氏體數(shù)量與其中所含合金元素量是相互關(guān)聯(lián)的，奧氏體量過多，其中合金元素濃度下降，奧氏體穩(wěn)定性降低；奧氏體量太少，合金元素濃度可以保2.206Ni9鋼的屈強(qiáng)比由表2中4組試樣的屈強(qiáng)比可看出，滿足性能要求試樣的屈強(qiáng)比都大于0.9。反映在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，是發(fā)生屈服現(xiàn)象后，應(yīng)力隨應(yīng)變變化不大，有時(shí)甚至呈近似水平線變化，直至發(fā)生斷裂。一般來說，屈強(qiáng)比升高意味著材料的形變強(qiáng)化能力降低，應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)相應(yīng)減小，存在一定的脆性破壞風(fēng)險(xiǎn)。對于06Ni9鋼目前沒有屈強(qiáng)比的要求，但從對強(qiáng)度和韌度指標(biāo)要求來看，屈強(qiáng)比不可能小于0.9，實(shí)際上有時(shí)甚至達(dá)到0.95以上，作為重要的工程結(jié)構(gòu)材料，這是值得注意和深入探討

20、的一個(gè)問題。與屈強(qiáng)比相關(guān)的是06Ni9鋼板材服役過程中力學(xué)性能的變化，目前這方面研究工作較少。在研究中注意到，試樣經(jīng)過-196低溫沖擊試驗(yàn)后，回轉(zhuǎn)奧氏體轉(zhuǎn)變成了孿晶馬氏體(圖1 ，數(shù)量急劇減少， 這種情況下力學(xué)性能如何，目前尚不得而知。盡管06Ni9鋼服役環(huán)境溫度(液化天然氣溫度為-162 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)溫度，但從服役安全角度來看，了解力學(xué)性能隨溫度和時(shí)間的變化規(guī)律非常重要。詳細(xì)情況將另文討論。刃型位錯(cuò)周圍的碳原子濃度；而低溫韌度取決于回轉(zhuǎn)奧氏體以及其所含合金元素的數(shù)量。參考文獻(xiàn)：123劉東風(fēng)，楊秀利，衛(wèi)英慧，等液化天然氣儲罐用低溫9Ni 鋼的研究及應(yīng)用J鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2009，21(9：1-5

21、王國華低溫壓力容器用9%Ni鋼的組織及疲勞性能研究3結(jié)論(106Ni9鋼拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上如果有屈服D太原：太原理工大學(xué)，2009太鋼技術(shù)中心信息室低溫壓力容器用Ni 系鋼生產(chǎn)技術(shù)文獻(xiàn)匯編M太原：太原鋼鐵(集團(tuán) 有限公司，20061-4現(xiàn)象出現(xiàn)，即有屈服點(diǎn)和屈服平臺，那么說明其強(qiáng)度和韌度配合良好，滿足性能指標(biāo)要求。(206Ni9鋼的屈服強(qiáng)度取決于偏聚于鐵素體32(下轉(zhuǎn)第41頁Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.22下半月出版的熱變形激活能Q=80.1kJ/mol的程度不大，平均晶粒尺寸從5m 細(xì)化到4.2m ，如圖1(c所示。在ARB 2后，細(xì)化的程

22、度不大，但均勻程度明顯增加，等軸度也明顯增加，如圖1(d所示。從上述分析可以得到這樣的結(jié)論，晶粒細(xì)化主要是在第一次軋制過程中完成的。經(jīng)第一道ARB 后，晶粒有一定程度的細(xì)化。當(dāng)晶粒尺寸一旦細(xì)化到某一個(gè)臨界值，隨后的ARB 處理對細(xì)化晶粒并無明顯效果，只是均勻程度增加。Material &Heat Treatment 材料熱處理技術(shù)C P S C P S 在ARB 1后，晶粒得到了進(jìn)一步的細(xì)化，但細(xì)化相343638404244801001202/(°圖3AZ91鎂合金X 射線衍射圖譜(ARB2204060Fig.3XRD spectrum of AZ91alloy (ARB22

23、.3AZ91在ARB 中晶粒細(xì)化的機(jī)制AZ91經(jīng)ARB 0后樣品的TEM 組織見圖2。原始粗大的晶粒(如圖中黑色箭頭所示 經(jīng)形變后，在其晶粒內(nèi)部形成了大量的亞晶和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)。鋸齒狀的晶界和細(xì)小的亞晶如圖中白色箭頭所示，在亞晶內(nèi)部和亞晶界處可以清楚看見位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，粗晶內(nèi)部含有大量的位錯(cuò)胞，這些細(xì)的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)能夠通過一個(gè)回復(fù)過程轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚ЫY(jié)構(gòu)，由此可推知，亞晶首先在鋸齒狀的晶界附近形成，隨著變形的進(jìn)行，通過位錯(cuò)胞轉(zhuǎn)化為亞晶界，亞晶結(jié)構(gòu)會覆蓋整個(gè)晶粒區(qū)域。圖1說明AZ91在ARB 過程發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，并因此而導(dǎo)致了晶粒細(xì)化。采用X 射線衍射技術(shù)對AZ91鎂合金ARB 2條件下制備的樣品進(jìn)行測試。衍射

24、圖譜如圖3所示，在衍射圖譜的放大部分中，可看到第二相粒子(Mg12Al 17 的峰非常明顯，這說明AZ91鎂合金在經(jīng)過兩道態(tài)再結(jié)晶。試樣表面沒有發(fā)生明顯的開裂。從熱加工性和晶粒細(xì)化的角度考慮，確定適宜的熱變形工藝為：變形溫度350、應(yīng)變速率0.01s -1。在Gleeble-3500上模擬AZ91的ARB 過程，對AZ91鎂合金在累積疊軋焊過程中組織的演變和細(xì)化的機(jī)制加以研究。表明晶粒在第一次變形過程中明顯細(xì)化，其機(jī)制是發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，在隨后的疊軋過程中，晶粒細(xì)化程度有限，但組織均勻程度增加。參考文獻(xiàn):12345678陳振華鎂合金M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20041-22劉正，張奎，曾小勤鎂基輕質(zhì)合金理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200241-45楊重愚輕金屬冶金學(xué)M北京：冶金工業(yè)出版社，200236-48曾榮昌，柯偉，徐永波，等Mg 合金的最新進(jìn)展及應(yīng)用前景J金屬學(xué)報(bào)，2001，37(7：673-680王祝堂以色列死海鎂廠J世界有色金屬，1998，(4：ARB 過程后，仍存在有第二相粒子，這種第二相粒子對鎂鋁合金的晶粒細(xì)化起著重要的作用，它能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，使晶粒細(xì)化穩(wěn)定。46-47張?jiān)姴?，段海橋，蔡啟舟，等主要合金元素對鎂