处理钢低温拉伸研究

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中国地震带分布广泛，许多在建和规划的液化天然气（LNG）储罐、LNG输送网管等低温钢结构和液化、气化等低温装备不可避免地建造和运行在地震带上［1］。地震对钢结构带来的主要危害是：当地震水平力超过钢的屈服强度时，在构件中产生较大塑性变形，引起结构失稳甚至失效，从而造成灾难性的破坏。因此，有关低温结构的抗震设计和选材必须加以高度关注。研究QLT处理［2－4］9％Ni钢的低温拉伸行为，掌握应变硬化特性，对9％Ni钢制LNG储罐的安全运行无疑具有重要意义［5］。多年来，9％Ni钢的研究主要侧重于低温韧性和可焊性。虽然也报道过9％Ni钢－196℃低温拉伸性能如强度、伸长率与热处理参数的关系［6］但对低温应变硬化行为及其与逆转变奥氏体［7］亚稳相的内在关系，并没有展开研究。本文通过系列低温环境下的拉伸试验及拉伸试验前后的组织结构观察，研究了低温拉伸过程中逆转变奥氏体／马氏体对QLT处理9％Ni钢拉伸变形行为的影响。

1试验材料及方法

试验材料为国内某钢厂提供的试验钢，化学成分如表1所示。试验钢板的厚度为20mm。试验钢QLT处理的具体工艺是：将样品在800℃保温1h水冷，然后在660℃保温1h水冷，最后在580℃回火2h。将热处理样品加工成5mm的标准拉伸样品，按照GB／T13239—2006，在MTSNEW810拉伸试验机上以10－3s－1的速率进行系列温度拉伸，试验温度分别为20、－70、－163℃和－196℃。系列低温拉伸前，将样品保持在低温环境温度下，时间持续10min，然后在该温度下进行拉伸试验。采用D－max－2500型X射线衍射仪对拉伸前后样品中的奥氏体含量进行测定；采用JEM2100F型透射电镜观察样品拉伸断口附近的显微组织。

2试验结果及讨论

2．1试验钢低温拉伸性能典型QLT处理样品系列温度拉伸的应力－应变曲线如图1所示。随着试验温度从20℃下降到－196℃，抗拉强度Rm和下屈服强度ReL逐渐提高，断后伸长率和均匀伸长率均呈增加的趋势。如图2所示，当试验温度从20℃降低到－196℃时，抗拉强度从20℃的702MPa提高到1105MPa，屈服强度从635MPa提高到840MPa。值得注意的是，一般铁素体型合金钢，随试验温度的降低，屈服强度和抗拉强度均增加，但是屈服强度增加的幅度一般高于抗拉强度增幅，造成屈强比增加，在一定程度上显示脆化趋势。而通过图2可以看出，QLT处理的9％Ni钢的抗拉强度增加的幅度明显大于屈服强度，屈强比随着试验温度降低反而逐渐降低，即屈强比从20℃拉伸的0．90下降到－196℃拉伸的0．76。从图3可以看到，当试验温度从20℃降低到－196℃时，断后伸长率A从26％提高到36％，均匀伸长率Au从14％提高到21％。因此，随着试验温度的降低，断后伸长率A和均匀伸长率Au均不断增加。在试验温度为－163℃时，均匀伸长率达到20％，表明LNG储罐用典型QLT处理9％Ni低温钢在服役条件下具有较高的均匀变形能力。

2．2拉伸过程中逆转变奥氏体／马氏体转变鉴于逆转变奥氏体／马氏体转变对9％Ni钢低温拉伸应变硬化行为有影响，采用X射线法对20℃和－196℃拉伸之前样品中奥氏体含量进行了测试，随后在系列温度拉伸后，采用同样方法测试断口附近区域奥氏体的含量，X射线衍射谱如图4所示。比较拉伸前后奥氏体衍射峰和奥氏体含量的变化，发现如下现象：20℃下，拉伸前奥氏体的体积分数为15％，拉伸后奥氏体的衍射峰显著存在，相应的奥氏体体积分数为1．8％；随着拉伸温度的降低，拉伸后奥氏体的衍射峰逐渐降低；当试验温度降低到－196℃时，拉伸前奥氏体的体积分数为9．3％，拉伸后奥氏体的衍射峰几乎完全消失。转变奥氏体全部转变，使基体组织的应变硬化潜力发挥至最大程度，获得了最大的应变硬化率和均匀伸长率。

2．3低温拉伸断口特征图6是QLT处理9％Ni钢20℃和－196℃拉伸的断口形貌。20℃拉伸断口所在截面的颈缩现象很明显，断口上全部分布着尺寸和深度不等的大小韧窝，属于典型的韧性断裂特征。－196℃拉伸断口所在截面的颈缩量相对较小，断口特征以韧窝为主，局部分布有解理面，属于带有部分解理特征的韧性－脆性混合型断口。相比之下，虽然该钢－196℃的低温塑性优于20℃塑性，但是前者拉伸断口中却呈现部分脆性特征。对－196℃拉伸样品产生混合型断口特征的原因进行了分析。－196℃拉伸过程中，在第一阶段和第二阶段分别是QLT处理9％Ni钢中的块状上述现象表明，在20℃至－196℃拉伸时，均有形变诱发逆转变奥氏体／马氏体相变产生。随着试验温度降低，逆转变奥氏体的稳定性显著下降，当拉伸温度降低至－196℃时，逆转变奥氏体几乎全部发生转变。－196℃低温拉伸后的显微组织如图5所示，低温拉伸后的组织中有高的位错密度，逆转变奥氏体全部转变为马氏体。形变诱发逆转变奥氏体／马氏体相变与试验钢的低温应变硬化行为之间存在如下内在关系：在逆转变奥氏体／马氏体相变时发生体积膨胀，附近的基体组织因此受相变应力作用，产生大量的可动形变位错，使该基体组织的应变硬化能力增强。随着试验温度降低，逆转变奥氏体转变量的增加，基体组织的应变硬化能力逐渐增强。在－196℃拉伸时，逆铁素体和回火马氏体发生塑性变形，同时伴随着逆转变奥氏体／马氏体转变。由于逆转变奥氏体中C、Ni、Mn等合金元素的富集程度较高，形成的马氏体硬度相应很高。当拉伸塑性变形进行第三阶段，转变马氏体与基体组织一起发生变形时，由于该马氏体本身塑性很差，容易在它自身或与基体的界面上产生微解理，同时，基体组织自身因塑性变形产生微孔。在应力的进一步作用下，产生微解理的扩展和微孔的融合，分别在断口上发展成解理特征的脆性断裂和韧窝特征的韧性断裂。但是，由于微解理形成之前，因逆转变奥氏体／马氏体转变使基体组织的应变硬化潜力充分发挥，已获得了较高的应变硬化率和较大的均匀伸长率，因此，尽管在－196℃拉伸断口中出现部分脆性断裂特征，但是QLT处理9％Ni钢仍表现出优异的低温塑性。

3结论

1）典型QLT处理9％Ni钢随着拉伸试验温度从20℃下降到－196℃，抗拉强度和屈服强度均提高；屈强比从0．90降低到0．76，均匀伸长率从14％提高到21％。2）QLT处理9％Ni钢在低温拉伸变形时，屈强比的降低和均匀伸长率的提高，与钢中的多相组织形态和形变过程中发生逆转变奥氏体／马氏体相变有关。