应力状态对316LN钢高温塑性的影响

应力状态对316LN钢高温塑性的影响

随着我国社会经济的快速发展，能源制约已经成为我国经济健康发展的瓶颈，为此，我国提出积极发展核电的政策［1］.核电主管道是核电蒸汽供应系统输出堆芯热能的“大动脉”，是核电站的核一级关键部件之一［2］.其用钢为316LN超低碳控氮奥氏体不锈钢，该钢种塑性差、变形抗力大［3-4］，在锻造过程中容易产生裂纹，严重影响核电装备的制造.

本文采用物理实验与数值模拟相结合的方法，研究应力状态对316LN钢高温塑性的影响，这对预测316LN钢在锻造过程裂纹的产生具有一定的指导意义.

1 高温拉伸实验

1.1 实验设备和材料

在Gleeble－1500D热模拟实验机上进行高温拉伸实验，材料为316LN钢，其化学成分如表1所示，试样尺寸为:○/10.0 mm×121.5 mm，预制缺口半径分别为 0.5、1.0、2.0、4.0 mm 和∞ (光滑试样)，如图1所示.

表1 316LN钢化学成分
Table 1 Chemical composition of 316LN steel %

图1 缺口拉伸试样
Fig.1 Notched tensile specimen

1.2 实验流程

先将试样以10℃/s的速度加热至1 200℃，保温2 min后再以5℃/s的速度降温到变形所需温度，保温1 min以消除温度梯度.抽真空后开始拉伸直至断裂，实验流程如图2所示.变形温度为950℃ ～1 200℃，间隔为50℃，应变速率为0.5 s－1.得到不同变形条件下的真应力－真应变曲线如图3所示.

图2 实验流程图
Fig.2 Flow chart of experiment

1.3 实验结果

根据真应力－真应变曲线得到温度950℃～1 200℃、应变速率0.5 s－1条件下试样的断裂应变，如图4所示.通过对拉断后试样断口部位进行测量计算，得到温度950℃～1 200℃、应变速率0.5 s－1条件下试样的断面收缩率，如图5所示.从图4和图5可见，对于缺口试样，在950℃～1 120℃，随着缺口半径的增大，断裂应变增大，断面收缩率增大，塑性增大;在1 120℃～1 200℃，随着缺口半径的增大，断裂应变减小，断面收缩率减小，塑性减小.相比缺口试样，光滑试样(缺口半径为∞)在相同条件下断裂应变大，断面收缩率大，塑性好.由于试样缺口半径不同，反映应力状态不同，这说明应力状态对试样塑性有一定的影响.

2 应力三轴度分布

2.1 应力三轴度

应力三轴度Rσ=σm/(σm是平均应力，σ为等效应力)代数值反映应力场中三轴应力状态和对材料变形的约束程度，直接影响各点塑性变形的大小及断裂应变大小.对特定材料在一定范围内，Rσ值大，应力状态偏于受拉状态，材料易于拉断;Rσ值小，应力状态偏于受压，材料不易发生拉断，材料易于剪断［5］.

2.2 缺口拉伸试样应力三轴度分布

通过对缺口拉伸试样进行有限元数值模拟计算，得到试样刚开始拉伸时最小横截面部位的应力三轴度分布，如图6所示.

从图6看出:缺口半径为0.5 mm的试样最小横截面部位的应力三轴度范围为:0.70～1.28;缺口半径为1.0 mm的试样为:0.57～1.09;缺口半径为2.0 mm的试样为:0.440～0.985;缺口半径为4.0 mm的试样为:0.340～0.791;光滑试样(缺口半径为∞)，由于颈缩前受单向拉应力，根据应力三轴度计算公式可知，应力三轴度约为0.33.这说明随着缺口半径的增大，应力三轴度减小［6-7］.

图3 应变速率0.5 s－1，真应力－真应变曲线
Fig.3True stress-true strain curves(ε·=0.5 s－1)

图4 不同缺口试样的断裂应变
Fig.4 Fracture strain of different notched specimens

图5 不同缺口试样的断面收缩率
Fig.5 Area reduction of different notched specimens

图6 缺口拉伸试样最小横截面部位应力三轴度分布
Fig.6 Distribution of stress triaxiality in minimum cross section of notched tensile specimens

结合图5看出:对于缺口试样，在950℃～1 120℃，随缺口半径的增大，应力三轴度减小，试样断面收缩率增大，材料塑性增大;在1 120℃～1 200℃，随缺口半径的增大，应力三轴度减小，试样断面收缩率减小，材料塑性减小.对于光滑试样(缺口半径为∞)，相同条件下塑性**.

3 结果讨论

对于缺口试样，在950℃～1 120℃，由于在高温下变形，4种试样在变形过程中均会发生动态再结晶，但由于缺口造成应力应变集中［9］，缺口半径越小，应力应变集中程度越大，畸变能越高，再结晶驱动力越大，使得同时发生动态再结晶的晶粒越多，表现为缺口半径越小，晶粒越细小.但由于在这个温度范围内，原子活动不剧烈，位错密度较大，拉伸变形过程仅发生少量动态再结晶，也就是4种缺口试样的晶粒尺寸相差不大.其中1 050℃时，R4.0和R0.5缺口试样断口处金相照片如图7所示.

图7 温度1 050℃，断口处的金相图片
Fig.7 Metallography in fracture(θ=1 050℃)

从图7看出，R4.0和R0.5缺口试样断口处晶粒尺寸相差不明显.这说明材料在这个温度范围内动态再结晶的软化作用不明显，这时应力三轴度的影响起主导作用，表现为缺口半径越小，应力三轴度越大，断面收缩率越小，塑性越差.

在1 120℃～1 200℃，由于温度更高，原子能量增加，原子的可动性增强，位错运动比较容易，位错相互消毁和重组更加完善和彻底，导致位错密度显著降低［9］.在这个温度范围内，4种试样在拉伸变形过程中均发生明显动态再结晶，再加上缺口半径越小，应力应变集中程度越大，畸变能越高，再结晶驱动力越大，使得同时发生动态再结晶的晶粒越多，这就导致缺口半径越小，晶粒尺寸越细小，也就是4种缺口试样的晶粒尺寸明显不同.其中1 150℃时，R4.0和R0.5缺口试样断口处金相照片如图8所示.

图8 温度1 150℃，断口处的金相图片
Fig.8 Metallography in fracture(θ=1 150℃)

从图8看出，R4.0和R0.5缺口试样断口处晶粒尺寸相差明显，R0.5缺口试样比R4.0缺口试样明显细很多.由于晶粒越细，晶粒内的空位数目和位错数目越少，位错与空位以及位错间的弹性交互作用的机遇相应就越少，位错将易于运动，也即表现出的塑性越好;此外，细晶粒为同时在更多的晶粒内开动位错和增殖位错提供了机遇，也即细晶粒能使塑性变形更为均匀，表现出塑性更好［10］.因此，在这种条件下，晶粒尺寸对材料塑性的影响起主导作用，表现为缺口半径越小，应力三轴度越大，断面收缩率越大，塑性越好.

对于光滑试样，由于应力三轴度最小，试样开始拉伸时没有应力应变集中产生，与缺口试样(缺口约束塑性变形，使塑性降低)相比，相同条件下，其塑性**.

4 结论

1)通过数值模拟，得到刚开始拉伸时缺口试样最小截面应力三轴度分布:R0.5为0.70～1.28，R1.0为0.57 ～1.09，R2.0为 0.440 ～0.985，R4.0为 0.340 ～0.791.

2)316LN钢高温塑性与应力三轴度和晶粒尺寸有关.如果晶粒尺寸相差不明显，应力三轴度起主导作用，应力三轴度越小，塑性越好;如果晶粒尺寸相差明显，晶粒尺寸起主导作用，应力三轴度越小，塑性越差.

3)对于光滑试样，与缺口试样相比，相同条件下，其塑性**.