低合金鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、較好的冷熱加工性以及良好的焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于船舶、壓力容器、橋梁等承受較高載荷的結(jié)構(gòu)件中[1]。低合金鋼在艦艇上的應(yīng)用極其廣泛,例如潛艇的耐壓殼體、艦船的船體結(jié)構(gòu)件和特種裝置等,低合金鋼的應(yīng)用極大減輕了艦艇結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,提高了艦艇的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐腐蝕性和作戰(zhàn)性能。在實(shí)際服役過(guò)程中,多變的海洋環(huán)境、各種復(fù)雜的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作等因素會(huì)使部件產(chǎn)生局部塑性變形,進(jìn)而縮短艦艇的服役壽命。 

目前,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)塑性變形與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究。楊鋼等[2]對(duì)奧氏體不銹鋼在不同塑性變形處理后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)用不同塑性變形方法獲得試樣的晶粒尺寸及屈服強(qiáng)度具有明顯差異,常規(guī)塑性變形后,試樣的屈服強(qiáng)度隨著晶粒的細(xì)化而不斷增大,而超大塑性變形方法獲得試樣的屈服強(qiáng)度隨著晶粒的細(xì)化而不斷降低。李桂榮等[3]研究了微塑性變形對(duì)TC4合金的組織及力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著微塑性變形程度的增加,材料中的位錯(cuò)密度逐漸增大,變形后試樣的彈性模量提高了34.4%。LOU等[4]研究了AZ31鎂合金的動(dòng)態(tài)塑性變形對(duì)其力學(xué)性能的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)隨著動(dòng)態(tài)塑性變形量的增加,材料的屈服強(qiáng)度逐漸增大,時(shí)效熱處理后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯增大,時(shí)效熱處理可以提高動(dòng)態(tài)塑性變形后AZ31鎂合金的強(qiáng)度。BAKHSHI等[5]對(duì)7005鋁合金在大塑性變形處理和時(shí)效熱處理后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)對(duì)7005鋁合金試樣進(jìn)行大塑性變形處理＋自然時(shí)效處理后,試樣的力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)的固溶＋人工時(shí)效處理的試樣,大塑性變形處理后試樣的屈服強(qiáng)度可以提高到400 MPa以上。目前,關(guān)于塑性變形處理對(duì)艦艇用低合金結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能的影響及損傷機(jī)制的研究較少。因此,研究塑性變形對(duì)艦艇用低合金結(jié)構(gòu)鋼拉伸性能的影響,建立塑性變形與材料拉伸參數(shù)之間的關(guān)系模型,對(duì)于保證低合金結(jié)構(gòu)鋼在艦艇中的安全應(yīng)用具有重要意義。 

筆者對(duì)10CrNi3MoV型低合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行不同塑性變形處理,并對(duì)變形后不同時(shí)效溫度處理后的材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn),獲得塑性變形和時(shí)效熱處理對(duì)材料拉伸性能的影響規(guī)律,隨后建立塑性變形量與材料拉伸參數(shù)之間的關(guān)系模型,為該型低合金結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。 

1.   試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為10CrNi3MoV低合金結(jié)構(gòu)鋼,其組織為回火索氏體(見(jiàn)圖1)。依據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)拉伸試樣進(jìn)行加工,拉伸試樣的尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

圖  1  10CrNi3MoV低合金鋼顯微組織形貌

圖  2  拉伸試樣尺寸結(jié)構(gòu)示意

依據(jù)GB/T 228.1—2021對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),獲得試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力總應(yīng)變和彈性模量。試驗(yàn)速率為0.45 mm/min,試驗(yàn)設(shè)備精度為0.5級(jí),使用精度為0.5級(jí)的引伸計(jì)對(duì)拉伸全過(guò)程的應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行測(cè)試并記錄,獲得原始試樣的最大力總應(yīng)變。分別對(duì)原始試樣進(jìn)行塑性變形率r為最大力總應(yīng)變的10%,30%,50%,70%,100%的塑性變形預(yù)處理,預(yù)處理速率為0.45 mm/min。使用千分尺對(duì)預(yù)變形后試樣的直徑進(jìn)行測(cè)量,隨后對(duì)預(yù)變形后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),獲得不同塑性變形后試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。塑性變形率的計(jì)算方法如式(1)所示。 

式中：εT為預(yù)變形過(guò)程中的總應(yīng)變；εgt為原始材料最大力時(shí)的總應(yīng)變。 

為了探究時(shí)效溫度對(duì)塑性變形的影響規(guī)律,使用馬弗爐對(duì)30%和70%塑性變形后的試樣分別在400,500,600 ℃溫度下進(jìn)行24 h時(shí)效熱處理,將時(shí)效后的試樣按照上述條件進(jìn)行測(cè)試。使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同塑性變形后試樣的斷口形貌。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   不同塑性變形預(yù)處理后試樣的拉伸性能

不同塑性變形預(yù)處理后試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示,試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由圖3和表1可知：預(yù)變形過(guò)程中,隨著塑性變形率的增大,再次拉伸時(shí)試樣的應(yīng)力－應(yīng)變會(huì)表現(xiàn)出較大的差異,即塑性變形對(duì)材料的力學(xué)性能有較大的影響；隨著塑性變形率的增大,材料屈服時(shí)的平臺(tái)應(yīng)力會(huì)逐漸增大,當(dāng)試樣的塑性變形率超過(guò)原始試樣最大力總延伸率的50%時(shí),試樣的屈服平臺(tái)會(huì)消失；再次拉伸時(shí),應(yīng)力－應(yīng)變曲線在彈性段時(shí)達(dá)到最大值,然后迅速下降,直至試樣發(fā)生斷裂。 

圖  3  不同塑性變形預(yù)處理后試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

為了探究預(yù)變形處理過(guò)程中塑性變形率對(duì)拉伸過(guò)程中各指標(biāo)的影響規(guī)律,繪制了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力總延伸率、彈性模量與塑性變形率之間的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖4)。由圖4a),4b)可知：隨著塑性變形率的增大,材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)逐漸增大,當(dāng)塑性變形率為10%時(shí),材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與原始材料之間的差異較?。划?dāng)塑性變形率大于10%時(shí),材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著塑性變形率的增大而快速增大；當(dāng)塑性變形率大于50%時(shí),材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度基本相等,因?yàn)樵谒苄宰冃芜^(guò)程中,材料內(nèi)部產(chǎn)生了較大的應(yīng)變硬化,導(dǎo)致材料在拉伸過(guò)程中的均勻塑性變形能力降低；當(dāng)塑性變形率為100%時(shí),材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值,約為675 MPa,相比于原始材料試樣屈服強(qiáng)度提高約30%,抗拉強(qiáng)度提高約10%。 

圖  4  拉伸參數(shù)與塑性變形率之間的關(guān)系曲線

由圖4c),4d)可知：隨著塑性變形率的增加,材料的斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率均逐漸降低；當(dāng)塑性變形率達(dá)到70%時(shí),最大力總延伸率約為0.5%,拉伸過(guò)程中材料的均勻塑性變形能力基本消失,此時(shí)試樣的變形主要是由拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的頸縮變形引起；當(dāng)塑性變形率為100%時(shí),斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率均達(dá)到最小值,分別約為17%和0.5%,比原始材料試樣分別下降38%和94%。 

由圖4e)可知：隨著塑性變形率的增大,材料的彈性模量逐漸減小,當(dāng)塑性變形率為100%時(shí),彈性模量達(dá)到最小值,約為166 GPa,比原始材料降低15%,即較大的塑性變形會(huì)導(dǎo)致材料的彈性模量下降。 

在拉伸過(guò)程中,試樣的直徑會(huì)隨著塑性變形量的增大而不斷減小,因此測(cè)得的應(yīng)力和應(yīng)變小于拉伸過(guò)程中試樣在某一瞬時(shí)的真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變,為了探究塑性變形率對(duì)材料真應(yīng)力及真應(yīng)變的影響規(guī)律,需要對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行修正。試樣在均勻變形階段真應(yīng)力、真應(yīng)變與實(shí)測(cè)應(yīng)力、實(shí)測(cè)應(yīng)變的關(guān)系如式(2),(3)所示。 

式中：σt為真應(yīng)力；εt為真應(yīng)變；σ為實(shí)測(cè)應(yīng)力；ε為實(shí)測(cè)應(yīng)變。 

將實(shí)測(cè)應(yīng)力、實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)分別代入式(2)和式(3),獲得不同塑性變形條件下試樣在均勻變形階段的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：不同塑性變形預(yù)處理后試樣的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線在彈性變形階段的曲線斜率基本相同；隨著塑性變形率的增大,材料的真抗拉強(qiáng)度略有增大；當(dāng)塑性變形率為100%時(shí),真抗拉強(qiáng)度為690 MPa,其增大幅度小于實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度,即塑性變形對(duì)真抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)化效果相對(duì)較弱。 

圖  5  不同塑性變形條件下試樣均勻變形階段的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

2.2   拉伸參數(shù)與塑性變形關(guān)系模型的建立

為了定量表征預(yù)變形過(guò)程中的變形量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律,基于應(yīng)變硬化－指數(shù)硬化模型(ESH),建立塑性變形率與屈服強(qiáng)度的關(guān)系模型,如式(4)所示。 

式中：σp,s為塑性變形預(yù)處理后試樣的屈服強(qiáng)度；σs為原始試樣的屈服強(qiáng)度；k1為形變強(qiáng)化系數(shù)；m為形變強(qiáng)化指數(shù)。 

結(jié)合式(1)和式(4)即可獲得拉伸過(guò)程中的塑性變形率與屈服強(qiáng)度的關(guān)系模型,式中k＝0.039,m＝0.312。使用該模型對(duì)不同塑性變形條件下的屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況如圖6所示。由圖6可知：使用該模型得出的理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.99,兩者的吻合度較高。因此建立的塑性變形率與屈服強(qiáng)度關(guān)系模型可以對(duì)不同塑性變形條件下材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。 

圖  6  理論屈服強(qiáng)度與實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度對(duì)比

基于ESH模型,建立塑性變形率與屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、均勻延伸率之間的關(guān)系模型,如式(5)和式(6)所示。 

彈性階段： 

塑性階段： 

式中：σp,t為塑性變形后拉伸時(shí)的真應(yīng)力；σp,tb為塑性變形后的真抗拉強(qiáng)度；σp,ts為塑性變形后的真屈服強(qiáng)度；εp,t為塑性變形后拉伸時(shí)的真應(yīng)變；Ep,t為塑性變形后拉伸時(shí)的彈性模量；k2為硬化系數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)。 

使用該模型對(duì)不同塑性變形條件下試樣的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：不同塑性變形條件下,使用該模型計(jì)算得出的理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性,因此該模型可以用于對(duì)塑性變形后材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。 

圖  7  真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線的理論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3   時(shí)效熱處理對(duì)塑性變形的影響

時(shí)效熱處理后試樣的實(shí)測(cè)應(yīng)力－實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線及真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線分別如圖8,9所示。由圖8,9可知：試樣在塑性變形預(yù)處理后的再次拉伸過(guò)程中,從應(yīng)力－應(yīng)變曲線上看,材料并未出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象,但是經(jīng)過(guò)時(shí)效熱處理后,應(yīng)力－應(yīng)變曲線中的屈服平臺(tái)較為明顯,即時(shí)效熱處理可以有效消除因冷變形引起的應(yīng)變硬化現(xiàn)象,從而提高材料的塑性變形能力。 

圖  8  時(shí)效熱處理后實(shí)測(cè)應(yīng)力－實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線

圖  9  時(shí)效熱處理后真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

時(shí)效熱處理后試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。為了探究時(shí)效熱處理對(duì)拉伸過(guò)程中各指標(biāo)的影響規(guī)律,繪制屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率與時(shí)效熱處理溫度之間的關(guān)系曲線,結(jié)果如圖10所示。由圖10和表2可知：當(dāng)塑性變形率為30%時(shí),隨著時(shí)效溫度的升高,試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì),試樣的斷后伸長(zhǎng)率呈先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)時(shí)效溫度為400 ℃時(shí),屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值,分別為595 MPa和636 MPa,相比于未進(jìn)行時(shí)效熱處理的試樣分別提高了3.5%和3.3%；當(dāng)時(shí)效溫度為600 ℃時(shí),屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小值,分別為495 MPa和585 MPa,相比于未進(jìn)行時(shí)效熱處理的試樣分別下降了14%和5%；當(dāng)塑性變形率為70%時(shí),隨著時(shí)效溫度的升高,試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度整體呈逐漸減小的趨勢(shì),時(shí)效溫度為600 ℃時(shí)達(dá)到最小值,分別為501 MPa和582 MPa,相比于未進(jìn)行時(shí)效熱處理的試樣分別下降了23%和11%；試樣的斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率隨著時(shí)效溫度的升高而逐漸增大,600 ℃時(shí)達(dá)到最大值,分別由最初的19.0%和0.5%增大至25.5%和11.5%。因此時(shí)效熱處理可以消除因塑性變形而產(chǎn)生的塑性降低現(xiàn)象。 

圖  10  拉伸參數(shù)與時(shí)效溫度之間的關(guān)系曲線

2.4   試樣斷口形貌

不同塑性變形處理后試樣斷口SEM形貌如圖11所示。由圖11可知：不同塑性變形處理后試樣斷口均具有纖維區(qū)、輻射區(qū)和剪切唇區(qū)3個(gè)典型區(qū)域,且試樣的斷口存在大量韌窩,因此試樣的斷裂形式均為韌性斷裂；在纖維區(qū)的邊緣存在較多裂紋,因?yàn)樵诶爝^(guò)程中,最大主應(yīng)力位于試樣的中心區(qū)域,該區(qū)域的微缺陷處率先產(chǎn)生微孔；隨著應(yīng)力的不斷增大,微孔在中心區(qū)域長(zhǎng)大聚合形成微裂紋,在力的作用下裂紋沿垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展,使試樣的中心區(qū)域率先斷裂,形成纖維區(qū)；裂紋由纖維區(qū)向試樣表面擴(kuò)展,形成輻射區(qū),裂紋到達(dá)試樣表面時(shí)迅速擴(kuò)展,直至剪切斷開(kāi),形成剪切唇；隨著塑性變形率的增大,纖維區(qū)產(chǎn)生的裂紋尺寸先增大后減小,當(dāng)塑性變形率為30%時(shí),裂紋尺寸達(dá)到最大值,當(dāng)塑性變形率超過(guò)70%時(shí),試樣的斷口區(qū)域不再產(chǎn)生裂紋。 

圖  11  不同塑性變形后試樣斷口SEM形貌

3.   結(jié)論

(1) 隨著塑性變形率的增大,材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸增大,斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率逐漸減小。當(dāng)塑性變形率大于50%時(shí),材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度基本相等,拉伸過(guò)程中材料的均勻塑性變形能力基本消失,此時(shí)試樣的變形主要是由拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的頸縮變形引起。當(dāng)塑性變形率為100%時(shí),屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值,約為675 MPa,相比原始試樣的屈服強(qiáng)度提高約30%,抗拉強(qiáng)度提高約10%,斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率分別約為17%和0.5%,比原始試樣分別下降38%和94%。 

(2) 基于ESH模型,建立了塑性變形率與材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力總延伸率之間的關(guān)系模型,使用該模型對(duì)不同塑性變形條件下材料的屈服強(qiáng)度及真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線進(jìn)行計(jì)算,理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性,該模型可用于預(yù)測(cè)不同塑性變形后材料的拉伸性能。 

(3) 隨著時(shí)效溫度的升高,材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈先增大后減小的變化趨勢(shì),400 ℃時(shí)達(dá)到最大值,材料的最大力總延伸率隨著時(shí)效溫度的升高不斷增大,即時(shí)效熱處理可以消除因冷變形引起的應(yīng)變硬化,提高材料的塑性變形能力。 

(4) 隨著塑性變形率的增大,纖維區(qū)產(chǎn)生的裂紋尺寸先增大后減小。當(dāng)塑性變形率為30%時(shí),裂紋尺寸達(dá)到最大值。當(dāng)塑性變形率超過(guò)70%時(shí),試樣斷口區(qū)域不再產(chǎn)生裂紋。不同塑性變形后試樣的斷口均存在大量韌窩,斷裂形式均為韌性斷裂。

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