武建國 安紅萍 范盼飛

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

SA508-3鋼是一種含有Mo、Mn等元素的低碳合金鋼，具有較高的淬透性、良好的沖擊韌性和優(yōu)良的焊接性能。廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備一體化超大鍛件的主體制造，如反應(yīng)堆壓力殼、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器等[1]。此類鍛件具有形狀復(fù)雜，制造流程冗長等特點。尤其在自由鍛過程中，鋼錠內(nèi)的鑄態(tài)缺陷相對較多，經(jīng)反復(fù)加熱和顯著的非均勻變形極有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中并形成微裂紋[2]。

本文采用Gleeble熱模擬試驗機在不同變形溫度和應(yīng)變速率下對鑄態(tài)SA508-3鋼進行等溫拉伸試驗，獲得了不同變形條件下熱拉伸試樣的伸長率、斷面收縮率等宏觀塑性指標(biāo)。為實現(xiàn)對變形過程中開裂行為的預(yù)測與控制，在有限元模擬中引入基于Normalized C-L斷裂準(zhǔn)則的損傷變量，通過高溫拉伸與有限元模擬相結(jié)合的手段，從試樣微區(qū)開裂的角度確定了相應(yīng)的臨界損傷量，該值可視為有限元損傷分析的微觀塑性指標(biāo)。研究結(jié)果可對評估鑄態(tài)SA508-3鋼的高溫塑性提供宏觀層面和微觀層面的依據(jù)。

1 熱拉伸試驗

熱拉伸試驗所用鑄態(tài)SA508-3的化學(xué)成分見表1。試樣尺寸?10 mm×121.5 mm，試驗溫度為800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃；應(yīng)變速率分別為0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1.0 s-1。采用Gleeble-1500D熱模擬機進行等溫拉伸，首先各試樣均以10℃s的速度加熱到1200℃，保溫3 min，隨后以10℃s的速度使試樣降溫至所需試驗溫度，以預(yù)定拉伸速度完成等溫拉伸。在整個試驗過程中采用氬氣保護防止試件表面氧化。

2 試驗結(jié)果分析

圖1為鑄態(tài)SA508-3不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。研究認(rèn)為，拉伸曲線上的峰值應(yīng)力處對應(yīng)著試樣頸縮開始時刻[3]，試樣內(nèi)部在三向拉應(yīng)力作用下萌生微小孔洞，進入損傷狀態(tài)[4]。可以看到在同一應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，峰值應(yīng)力呈下降趨勢，峰值應(yīng)變逐漸減小，這是因為隨溫度升高，晶界間的強度會降低，試樣在較低的形變量時就會有損傷萌生。從流變曲線的形狀上可以看出，在較低的變形溫度下應(yīng)力達到峰值后急劇下降；而高溫變形時，由于動態(tài)再結(jié)晶所引起的軟化機制占主導(dǎo)作用，流變應(yīng)力緩慢下降。在整個熱變形條件下，應(yīng)變速率越大，變形溫度越低，材料的屈服強度及抗拉強度越大。

在材料力學(xué)性能指標(biāo)中，斷后伸長率和斷面收縮率是衡量高溫?zé)崴苄缘闹匾卣髦?。圖2、圖3為鑄態(tài)SA508-3鋼的斷后伸長率、斷面收縮率與溫度及應(yīng)變速率的關(guān)系曲線，二者均隨應(yīng)變速率的增加而增加，但隨著溫度的增加呈現(xiàn)非單調(diào)變化特征。由圖2可知，在較低應(yīng)變速率下(0.001 s-1和0.01 s-1)，試樣的斷后伸長率在900～1000℃區(qū)間達到極值，隨后在0.01 s-1應(yīng)變速率下緩慢下降；而應(yīng)變速率為0.001 s-1時斷后伸長率隨溫度升高而下降至1100℃后又緩慢上升；在較高應(yīng)變速率下(0.1 s-1、1 s-1)，斷后伸長率在1100℃達到峰值，越過極大值后隨溫度升高緩慢下降。由圖3可以看出除應(yīng)變速率為1.0 s-1外，斷面收縮率在1000℃達到極值后隨溫度上升緩慢降低；在1 s-1高應(yīng)變速率下，變形溫度高于1100℃時其斷面收縮率接近100%。

圖1 鑄態(tài)SA508-3低合金鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 1 Tensile stress-strain curves of as-cast SA508-3 low alloy steel

圖2 熱拉伸試樣斷后伸長率Figure 2 Elongation of thermal tensile specimens

圖3 熱拉伸試樣斷面收縮率Figure 3 Cross-sectional shrinkage of thermal tensile specimens

基于試驗所得數(shù)據(jù)，通過回歸分析可以將斷后伸長率、斷面收縮率表達為溫度及應(yīng)變速率的函數(shù)：

3 臨界損傷值

斷后伸長率與斷面收縮率，作為常用的宏觀指標(biāo)能方便地用于評價材料的高溫塑性。但是，對于熱加工過程而言，鍛件內(nèi)部塑性的相對變化以及開裂風(fēng)險的評估往往需要借助于有限元模擬來獲得。將Normalized C-L準(zhǔn)則引入有限元模擬中可以描述拉應(yīng)力狀態(tài)下鍛件內(nèi)的損傷水平和開裂風(fēng)險。該準(zhǔn)則可以表達為[5]：

當(dāng)累積的損傷值到達臨界值時，就會產(chǎn)生局部開裂。因此，臨界損傷值是評估鍛件開裂風(fēng)險的關(guān)鍵因素，該值很難直接從試驗中獲得，但可以通過有限元模擬與拉伸試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法確定。

首先，通過有限元軟件DEFORM建立一個合理的熱拉伸模型，在前處理系統(tǒng)中將SA508-3鋼的高溫流變行為賦予變形體，同時指定正確的變形溫度，并根據(jù)試驗條件在變形體上表面施加合理的拉伸速度。完成熱拉伸模擬，輸出相應(yīng)的載荷-位移曲線，并與試驗中獲得的載荷-位移曲線進行比較，相對誤差較小時，說明模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。當(dāng)模擬試樣的斷后伸長率等于相同變形條件下實測的斷后伸長率時，獲得該時刻模擬試樣最小橫截面外半徑處的損傷值，即為既定變形條件下的臨界損傷值。將該值輸入DEFORM系統(tǒng)，則可完成熱拉伸試樣的斷裂模擬。

圖4 熱拉伸模擬結(jié)果Figure 4 Simulation results of thermal tensile test

圖5 拉伸過程中裂紋的形成與擴展Figure 5 Crack formation and propagation during tensile deformation

圖6 臨界損傷值與溫度及應(yīng)變速率的關(guān)系Figure 6 Relationship between critical damage values and temperature and strain rate

圖4(a)所示為溫度1200℃，應(yīng)變速率0.01 s-1時的模擬結(jié)果，模擬試樣與試驗試樣具有相同的形狀與尺寸。由圖4(b)可知，變形過程中試樣頸縮區(qū)的損傷程度不斷增加，一旦達到該條件下的臨界值，則相應(yīng)的微裂紋就會出現(xiàn)。如圖5所示，拉伸過程中試樣內(nèi)部微裂紋的形成、擴展直至試樣斷裂的過程通過邊長為0.2 mm的細(xì)小單元精確地反應(yīng)出來了。在圖5的局部放大圖中，杯錐狀的宏觀斷口形貌也得以清晰呈現(xiàn)。由此可見，臨界損傷值其實相當(dāng)于一個微區(qū)材料分離準(zhǔn)則，因此可將臨界損傷視為基于有限元模擬的微觀塑性指標(biāo)。采用上述方法可以得到不同溫度不同應(yīng)變速率下的臨界損傷值，其隨溫度與應(yīng)變速率的變化趨勢如圖6所示。通過數(shù)據(jù)回歸，臨界損傷值可以表達為溫度及應(yīng)變速率的函數(shù)。

4 結(jié)論

(1)通過高溫拉伸試驗，得到了SA508-3鋼斷后伸長率和斷面收縮率隨溫度和應(yīng)變速率的變化規(guī)律：斷后伸長率和斷面收縮率均隨應(yīng)變速率增大而增大；但隨溫度增加都呈現(xiàn)非單調(diào)變化特征。通過數(shù)據(jù)回歸分析，可以確定斷后伸長率、斷面收縮率與溫度及應(yīng)變速率之間的定量關(guān)系：

(2)高溫拉伸試驗結(jié)合有限元模擬，確定了熱變形過程中SA508-3鋼在拉應(yīng)力作用下的臨界損傷值，該值代表了高溫變形時鍛件內(nèi)部的微區(qū)開裂條件。通過數(shù)據(jù)回歸分析，可以獲得臨界損傷值與溫度及應(yīng)變速率之間的定量關(guān)系：