特厚板用HSLA钢的热变形行为与组织演变研究

发布时间：2018-12-06 22:11

【摘要】：海洋油气业已成为中国海洋经济的支柱产业。海洋油气资源的开采与利用离不开海洋资源开发装备,如勘探、开采、储运等方面的大型工程装备。目前,我国海洋工程装备生产制造所需的高性能钢板,尤其是特厚板仍大量依赖进口。技术的落后严重制约我国海洋油气开发的进度及自主性,也限制了我国海洋经济发展的步伐。轧制成形是特厚板生产的关键工艺环节,对某些特殊性能要求的钢板,还要进行热处理改性。特厚板的厚度截面效应(形变不均匀、温度不均匀)是生产中面临的普遍问题,直接影响钢板的组织性能均匀性。目前尚缺少有效的理论指导特厚板的生产实践,大多以“试错法”组织生产。Ni-Cr-Mo-B钢是一类新型低合金高强度钢,其板材制品如厚板、特厚板可用于海洋工程装备的制造。本文以Ni-Cr-Mo-B钢为研究对象,首先研究其高温流变行为、显微组织演变及其数学建模、热加工图,进一步进行热压缩变形及特厚板轧制过程的跨尺度力-热-显微组织多场耦合分析,以期为生产实践中Ni-Cr-Mo-B特厚板的热加工工艺优化设计提供重要参考。材料高温流变行为可通过本构方程来表征。本构方程是材料热加工工艺优化设计的依据,亦是力-热耦合场分析的基础。关于本构方程建立方法的研究较多,但因流变行为的复杂性,尚无统一方法。基于热压缩实验,本文建立了描述Ni-Cr-Mo-B钢流变行为的修正应变补偿Arrhenius型和修正ZA型本构方程,并基于BP神经网络(BP-ANN)对Ni-Cr-Mo-B钢的流变行为进行预测。从统计学角度,本文对上述三种方法的流变行为表征能力进行评估。结果表明：BP-ANN方法具有最高的预测精度,修正应变补偿Arrhenius型本构方程预测精度略低于BP-ANN方法,而修正ZA型本构方程的预测精度较粗糙。鉴于修正应变补偿Arrhenius型本构方程具有良好的数学表现形式,且具有令人满意的预测精度,本文择其用于Ni-Cr-Mo-B特厚钢板轧制成形过程的跨尺度耦合场分析。本文研究了Ni-Cr-Mo-B钢的热变形显微组织演变规律,结果表明：Ni-Cr-Mo-B钢的动态再结晶行为对变形温度和应变速率敏感。随变形温度的升高和应变速率的降低,动态再结晶分数增加,动态软化作用增强,完全动态再结晶晶粒尺寸增大。建立了基于Avrami方程的改进Ni-Cr-Mo-B钢动态再结晶动力学方程,建立了动态再结晶晶粒尺寸与温度补偿应变速率因子(Z参数)的数学模型,模型的显微组织预测结果与实验结果吻合良好。此外,基于流变曲线,对Ni-Cr-Mo-B钢的热变形重要特征参数(峰值应力、临界应变等)进行了准确识别,建立了特征参数与Z参数的数学关系。基于动态材料模型,本文构建了Ni-Cr-Mo-B钢的热加工图。分析表明：Ni-Cr-Mo-B钢在较高应变水平(真应变0.7)存在两个流变稳定区,对应的工艺参数范围为：温度910℃-1030℃,应变速率0.0067 s-1-0.15 s-1；温度1030℃-1150℃,应变速率0.06s-1～0.61 s-1。此外,热加工图中Ni-Cr-Mo-B钢流变失稳区呈现出低温低应变速率、高温高应变速率特征。生产中推荐在流变稳定区操作。联合运用热加工图与本构方程进行材料的热加工工艺优化设计,二者既互为验证,又互为补充,这在本文的研究过程中有很好的体现。特厚板的轧制过程是一个复杂的非线性过程,有限元数值计算的不断发展与完善,为轧制工艺的优化设计提供了途径。基于有限元二次开发技术,本文对Ni-Cr-Mo-B特厚板的轧制过程进行了变物性跨尺度力-热-显微组织多场耦合研究。显微组织演变模型使用前述动态再结晶动力学模型和晶粒尺寸模型。二次开发过程中,考虑了实际轧制的非稳态性,对相关的数学模型进行了非稳态化处理,并对跨尺度耦合场分析方法以非稳态轴向压缩实验为例进行验证,从而确保轧制过程耦合场分析的可靠性。分析结果表明：低速轧制(小于1 m·s-1)有利于变形向特厚板心部深入；大压下量轧制,有利于改善特厚板厚度方向变形的不均匀性；高温轧制有利于特厚板动态再结晶的发生,细化组织。推荐的特厚板轧制工艺为高温低速大压下量。此外,本文对需要进行调质处理的特厚板辊压式淬火进行了数值仿真。首先,基于辊压式淬火物理过程分析以及传热学理论,研究了Ni-Cr-Mo-B特厚板辊压式淬火冷却过程的数值仿真方法。经与实验结果比较,本文提出的淬火仿真方法是有效的。进一步,研究了表面冷却速度对特厚板厚度截面温度分布的影响。结果表明：在一定范围内提高淬火表面冷却速度,可以增大钢板内部的冷却速度,削弱温度截面效应,改善钢板显微组织与性能的不均匀性；受钢板“大厚度”影响,进一步提高表面冷却速度虽然可以使钢板表面快速冷却,但是无助于提高特厚板心部的冷却速度。实践中需根据具体工况选择合适的淬火冷却速度。以上研究结果可为Ni-Cr-Mo-B钢的热加工工艺优化设计及显微组织控制提供理论指导。本文研究内容体现了计算、实验、数据三者的紧密联系,是材料基因组计划(MGI)框架下材料工艺优化设计模式的尝试和探索。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.1;TG335

【参考文献】