一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法技术

一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法，属于海洋工程用钢加工技术领域。本发明专利技术首先对该低合金钢进行高温压缩实验，获得真应力‑应变曲线，然后采用双曲正弦模型建立了该材料的高温变形本构方程及热变形加工图，结合显微组织确定加工图中不同区域的组织演变机制。将热变形本构模型和热加工图结合起来，分析任意变形条件下的热变形流变应力和热变形功率耗散效率，从而得到最佳热加工温度区间，结果对该合金钢热加工过程控制有重要意义。

A method to determine the hot working temperature range of low alloy high strength steel for Marine Engineering

【技术实现步骤摘要】
一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法
本专利技术属于海洋工程用钢加工
，特别涉及一种低合金高强度钢热加工区间的确定方法。
技术介绍
海洋工程用钢是海洋结构物建造中的关键材料，必须具有高强度、高韧性、耐腐蚀等特性，因此高强钢、耐蚀钢的应用越来越普遍，且要求越来越高。而海底井口和采油装备是海洋油气开发工程中的重要单元装备，也是海底采油系统的组成。由于处于海底高压、低温、海水和油气腐蚀等恶劣的工况下，海底装备的性能和质量对油井安全起着至关重要的作用。近年来，我国海洋石油装备材料虽已取得长足进步，但与国际水平相比，仍然存在诸多差距和不足，难以满足我国海洋石油装备的发展需求。我国尚未拥有实施深海油气勘探开发的技术和装备，特别是水下油气勘探开发领域，所使用的关键及核心材料水下井口头锻件全部依靠进口，国产部件在性能稳定性及批量供货能力方面还与国外存在较大差距。因此，选择适用于制造海底井口用锻件的材料，设计和制造高压力级别的深海井口系统用锻件材料，并研究材料的流变行为获得材料关于塑性变形的基本参数变得尤为重要。本专利通过热模拟试验研究该低合金钢的热压缩过程，分析不同温度及应变速率下合金的流变行为，为确定该钢的热加工生产工艺规程提供必要的实验数据和可靠的理论依据。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法。采用本专利技术的方法能够更准确地判断低合金高强度钢在不同条件下的热变形组织演变机制及热加工性能，对于该低合金高强度钢热加工工艺的合理制定具有重要的指导意义。为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：一种海洋工程用低合金化高强度钢热加工温度区间的确定方法，该方法包括以下步骤：步骤1：在不同变形温度和应变速率下对低合金高强度钢进行高温压缩实验，获得低合金高强度钢的真应力-应变曲线数据。步骤2：建立该低合金高强度钢高温流变应力本构方程，如下式所示：式中：F(σ)为应力的函数，A为与变形无关的常数；Q为变形激活能(J/mol)；R为气体常数，为8.314J/(mol·K)；T为热力学温度(K)；σ表示峰值应力(MPa)；其中，应力函数F(σ)有以下3种表达方式：ασ<0.8为低应力水平，F(σ)＝σn1；ασ>1.2为高应力水平时，F(σ)＝exp(βσ)；对于所有应力状态下F(σ)＝[sinh(ασ)]n；这里n为应力指数，为应变速率，n1和β为材料常数，α为应力水平参数；若求出α、A、n、Q，即能够通过热变形本构方程描述材料的高温流变特征；步骤3：根据动态材料模型建立的材料热加工图可以较为直观的反映不同温度及应变速率下材料的变形规律。描述材料功率耗散特征的功率耗散效率因子η和失稳判据可表示为：其中m是应变速率敏感因子，同一应变量下，在温度-应变速率的二维平面上，画出η的等值线图，即功率耗散图，再绘出参数为负的区域，即热加工失稳图，将二者结合到一起得到了材料的热加工图。观测低合金高强度钢在不同变形条件下的显微组织，和热加工图相结合，确定热加工图中的流变失稳区、动态再结晶区和动态回复区。步骤4：将步骤2建立的本构方程和步骤3得到的热加工图结合起来研究材料的热变形行为，利用建立的本构模型预测不同变形条件下的应力应变曲线，不同的变形条件对应着热加工图中的不同位置，确定不同变形条件下的功率耗散效率因子，进而确定材料的热变形组织演变机制以及热加工温度区间。所述的低合金高强度钢的化学成分及质量百分含量为：C：0.10％～0.80％；Mn：0.40％～1.50％；Si：0.10％～1.0％；Cr：0.50％～2.0％；Mo：0.10％～1.0％；V：0.01％～0.5％；P≤0.005％；S≤0.005％；余量为Fe；步骤1中所述的变形温度为850～1200℃，变形温度的间隔区间为100℃，所述应变速率分别为0.1s-1、1s-1、10s-1，真应变量约为0.9。步骤2所述α＝β/n1，而n1和β分别为和直线斜率倒数的平均数，根据最小二乘法线性回归求得此值。步骤2中的n为线性关系的斜率倒数。由式(1)对1/T求偏导得将R、n及ln[sinh(ασ)]-1/T线性关系的斜率的值代入式(4)，便可得步骤2中的热变形激活能Q和A。步骤3中的m可通过斜率得到。本专利技术的优点和有益效果本专利技术方法结合热变形本构方程和热加工图，利用热加工图和本构方程两种方法相互印证，从而能够更准确地判断不同条件下的热变形组织演变机制及热加工区间，得到一定变形条件下材料的热变形及动态再结晶信息，从而给材料的热加工过程提供重要参考。附图说明图1为不同变形条件下热压缩真应力-应变曲线，图2为应变速率为0.1s-1时在不同变形温度压缩后的显微组织，(a)850℃；(b)950℃；(c)1050℃；(d)1150℃。图3为热加工图，(a)真应变为0.6；(b)真应变为0.8。具体实施方式为进一步了解本专利技术的内容，现结合附图对本专利技术作详细描述。实施例1一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法。所述的低合金高强度钢的化学成分及质量百分含量为：C：0.37％；Mn：0.84％；Si：0.22％；Cr：0.95％；Mo：0.2％；V：0.033％；P：0.008％；S：0.0028％；余量为Fe。该方法包括以下步骤：步骤1：在变形温度为850～1200℃，变形温度的间隔区间为100℃，所述应变速率分别为0.1s-1、1s-1、10s-1，真应变量为0.9的热变形条件下，对该低合金钢进行高温压缩实验，获得该低合金高强度钢的真应力-应变曲线，如图1所示，其中由图中可以看出，在相同应变速率下，峰值应力随着变形温度升高而逐渐下降，在相同变形温度时，峰值应力随着应变速率增大而逐渐增大。在变形开始阶段，应力随着应变的增加而急速上升，主要是因为试样经过一段时间的高温保温过程后，发生了充分的再结晶，试样经压缩变形后位错增殖导致加工硬化。随着试样变形量增加，晶粒内部位错通过交互作用发生重组。随着试样应变进一步增加，位错密度也随之增大，激发动态再结晶，应力达到峰值后逐渐下降。在随后的变形过程中，动态再结晶产生的软化效果与应变增加产生的加工硬化效果相抵消，变形进入稳态阶段。从图1中还可以看出，在1000℃及其以下温度(如950℃)，应变速率较低(如0.1s-1)时，随着变形量增加，流变应力持续增大到峰值应力。而在1050℃及其以上温度发生变形时，流变应力随着变形量增加而增大，当达到峰值后有较为明显的软化现象。而且变形温度越高且应变速率越低时，软化效果就会越明显，即表现出更明显的动态再结晶行为特征，发生动态再结晶。步骤2：建立该低合金钢高温流变应力本构方程，如下式所示：式中：F侰σ)为应力的函数，其中A为与变形无关的常数；Q为变形激活能(J/mol)；R为气体常数，为8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤1：在不同变形温度和应变速率下对低合金高强度钢进行高温压缩实验，获得低合金高强度钢的真应力-应变曲线数据；/n步骤2：建立该低合金高强度钢高温流变应力本构方程，如下式所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种海洋工程用低合金高强度钢热加工温度区间的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：在不同变形温度和应变速率下对低合金高强度钢进行高温压缩实验，获得低合金高强度钢的真应力-应变曲线数据；
步骤2：建立该低合金高强度钢高温流变应力本构方程，如下式所示：



式中：F(σ)为应力的函数，A为与变形无关的常数；Q为变形激活能(J/mol)；R为气体常数，为8.314J/(mol·K)；T为热力学温度(K)；σ表示峰值应力(MPa)；
其中，应力函数F(σ)有以下3种表达方式：ασ<0.8时，为低应力水平，ασ>1.2时，为高应力水平，F(σ)＝exp(βσ)；对于所有应力状态下F(σ)＝[sinh(ασ)]n；这里n为应力指数，为应变速率，n1和β为材料常数，α为应力水平参数；若求出α、A、n、Q，即能够通过热变形本构方程描述材料的高温流变特征；
步骤3：根据动态材料模型建立的材料热加工图能够较为直观的反映不同温度及应变速率下材料的变形规律；描述材料功率耗散特征的功率耗散效率因子η和失稳判据表示为：






其中m是应变速率敏感因子，同一应变量下，在温度-应变速率的二维平面上，画出η的等值线图，即功率耗散图，再绘出参数为负的区域，即热加工失稳图，将二者结合到一起即得到了材料的热加工图；观测低合金高强度钢在不同变形条件下的显微组织，和热加工图相结合，确定热加工图中的流变失稳区、动态再结晶区和动态回复区；

【专利技术属性】
技术研发人员：董治中，刘建宇，宁保群，王志奇，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12