含铌奥氏体不锈钢热变形行为及热加工图

发布时间：2020-07-12 14:31

【摘要】：蒸汽发生器传热管作为超超临界火电机组(UltraSupercritical,简称USC)关键部件中的核心,它决定了装备的高参数和高可靠性,因此对材料的服役性能要求极高。现阶段我国USC机组的关键管材主要依靠进口,缺少自主知识产权的新材料和制造成型的成套技术。因此开发新型传热管用材料,这对我国的燃煤发电技术具有极为重要的现实意义。本课题基于以上应用背景,在Cr-Ni奥氏体不锈钢的基础上添加铌等合金元素开发了两种新型奥氏体不锈钢,其中铌含量不同。铌不仅能够增强奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能,还可以提高材料的室温及高温力学性能。超超临界火电锅炉管材在装备前需要经历热穿孔等加工工艺,因此对其热变形行为进行研究,可确定最优热加工工艺制度从而达到控制组织演变和产品最终性能的目的。本文利用Gleeble-3500热力模拟试验机,在变形温度为950~1100℃、应变速率为0.01~1s~(-1)范围内对含铌奥氏体不锈钢进行了单道次高温热压缩试验。观察分析了试验钢的流变应力曲线和微观变形组织,建立了基于应变量耦合的改进型本构模型,预测了动态再结晶临界应变拐点以及绘制了不同应变量下的热加工图。研究结果如下:1、使用Origin软件对高温热压缩试验中获取的数据进行处理,分析试验钢的流变应力曲线,并结合金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)等微观表征技术,系统研究了不同热变形参数对含铌奥氏体不锈钢流变应力及微观组织演变的影响规律。结果表明:试验钢的流变应力对应变速率和变形温度均比较敏感。随着应变速率的降低和变形温度的升高,流变应力也随之减小,动态再结晶程度增大。2、通过回归分析方法得到含铌奥氏体不锈钢的热变形激活能,G1和G2试验钢的热激活能分别为362.748KJ/mol和365.111KJ/mol。同时建立了耦合应变量的本构模型,此模型可预测合金在热变形过程中的流变应力。G1试验钢的预测值与其热压缩试验值之间的相关系数达到0.99785,平均相对误差仅为2.5%。G2试验钢的预测值与其热压缩试验值之间的相关系数达到0.9868,平均相对误差仅为3.3%。采用三次多项式拟合lnθ-ε曲线数据来确定动态再结晶(DRX)的临界拐点,从而可求得G1和G2试验钢在不同变形条件下的临界应变(ε_c)与峰值应变(ε_p)的平均比值分别为0.6858和0.6994。3、基于动态材料模型(DMM),构建了含铌奥氏体不锈钢的热加工图。根据热加工图确定了试验钢在不同热变形参数下的安全区和流变失稳区,以此制定了合理的热加工工艺制度。根据热加工图并结合微观组织可得:G1试验钢的最佳热加工参数:变形温度1050~1100℃、应变速率为0.0316~0.1s~(-1);G2试验钢的最佳热加工参数:变形温度1000~1050℃、应变速率为0.039~0.1s~(-1)。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM621
【图文】：

流变曲线,流变应力曲线

ln{()[()1]}12121 nnAZAZ (1-1将试验数据进行处理后代入以上各式，可求得上述式中材料常数的值（AQ、α、β、n 等）。再代入式（1-10）可计算出金属或合金在不同变形条件下的塑性变形抗力值。材料的微观组织结构与 Z 参数之间存在着密切的联系。当参数值一定时，则材料在稳态流变阶段的微观组织特性保持稳定状态。据此便以建立起材料热加工工艺与组织性能两者之间的关系预测模型。1.4.2.3 金属材料热加工过程中的软化机制在金属和合金高温塑性变形过程中，热变形初期塑性变形抗力会因位错的殖和累积而迅速增大。随着变形的继续，材料内部能量积聚增大。动态软化逐与热变形初期的加工硬化相抵消，其包括动态回复（Dynamic recovery，简称DRV和动态再结晶（Dynamic recrystallization，简称 DRX），流变曲线如图 1.1 所示

含铌,不锈钢,奥氏体不锈钢,固溶处理

表 2.1 为含铌奥氏体不锈钢的化学成分。表 2.1 含铌奥氏体不锈钢的化学成分（wt/%）Table 2.1 Chemical composition ofAustenitic Stainless Steel Containing Nb (wt/%)元素代号C Mn Si S N Cr Mo Al Ni NbG1 0.09 1.39 0.335 0.005 0.026 18.15 2.00 3.10 30.8 0.329G2 0.06 1.40 0.342 0.005 0.022 18.48 2.20 3.05 31.66 1.082.1.2 试样原始显微结构单道次高温压缩试验前试样原始金相组织如图 2.1 所示。由图 2.1 可知，组织为单一的奥氏体，晶界清晰完整，并有少量孪晶。由于铌含量的差别，G1 试验钢中的奥氏体晶粒尺寸大于 G2 试验钢中奥氏体晶粒。铌元素能够有效降低合金元素对晶间腐蚀的敏感性，并提高不锈钢的室温及高温力学性能。

热力模拟,试验机

图 2.2 Gleeble-3500 热力模拟试验机Fig 2.2 Gleeble-3500 thermal simulator方法热压缩实验可以研究材料在热变形过程中流变应力的变与流变应力、动态再结晶之间的关系。将试验钢以 1 10min，使奥氏体均匀化，然后以 10℃/s 的冷却速度0℃、1050℃、1100℃，保温 30s 使得试样温度均匀，然0.01s-1、0.1s-1、0.5s-1、1s-1）进行热压缩试验。试验工程应.3 所示。高温压缩结束后立即将压缩试样淬火，然后再将线进行纵向切割，将切割面打磨抛光后用王水进行化学微镜进行观察。

【参考文献】