• 无缝管微观组织及力学性能的影响

    发布日期:2016-09-09

    在社会倡导低碳节能环保的大背景下,各种运输机械也向着轻量化的方向发展。目前,利用内高压成形等技术生产空心零件以代替实心零件具有的显著减重效果倍受关注。12Cr1MoVG合金无缝管为了提高空心零件的强度并降低生产成本,则需要研究开发出具有较高强度同时兼有良好成形性能的管坯。在此背景下,本文将已经趋于成熟的TRIP钢生产技术应用到了钢管的生产领域,成功开发出了具有铁素体、贝氏体、残余奥氏体和少量马氏体组织的薄壁TRIP钢无缝管,并利用普通拉伸、管端扩口、环形拉伸以及液压自由膨胀等试验手段对其力学性能及内高压成形性能进行了试验研究,分析了热处理工艺对TRIP钢合金无缝管微观组织、力学性能以及内高压成形性能的影响。主要创新性成果如下:

    (1)利用冶炼一锻造一穿孔一冷拔一热处理工艺成功生产出了化学成分为A,B,C,D,E和F的TRIP钢薄壁无缝管。

    TRIP钢无缝合金管的微观组织含有铁素体、贝氏体、残余奥氏体及少量马氏体,具有良好的轴向力学性能,延伸率均接近或超过了30%。其中钢管D-II的强塑积达到28269MPa%;钢管F-V的延伸率达到40%,其残余奥氏体含量也达到了10.26%的较高值。

    (2)研究了热处理工艺对TRIP钢无缝管微观组织及力学性能的影响。

    重点研究了热处理工艺对钢管A和B的轴向力学性能、微观组织、残余奥氏体含量及其形态分布的影响。结果表明:在   的临界退火温度下,残余奥氏体体积分数均随着退火时间的增加呈现出先增大后减小的趋势;在   的贝氏体等温淬火温度下,残余奥氏体含量均随等温淬火时间的增加呈现先增大后减小的趋势,总延伸率以及强塑积也有相似的变化趋势。

    (3)利用管端扩口试验对TRIP钢无缝管的内高压成形性能进行了研究,分析了锥形工具顶角以及热处理工艺对扩口   的影响。

    重点对化学成分为B,C和D的钢管扩口   进行了研究,分析了锥形工具顶角对钢管B,C和D扩口   的影响,以及热处理工艺对钢管C和D的扩口   的影响。

    结果表明:各钢管的扩口   随着锥形工具角度的减小而减小;钢管C和D的管端扩口   随着贝氏体区等温淬火时间由3min增加到9min,呈现先增大后减小的趋势,当等温淬火时间为6min时,扩口   均达到   大。

    (4)提出利用管端扩口试验确定Oyane韧性断裂准则中材料常数的方法,并利用TRIP钢无缝管与碳素钢无缝管两种不同的材料,对此方法的普遍适用性进行了验证。

       先,分别采用顶角角度为200、300和600的锥形工具中的任意两个,利用实验及FEM模拟的手段对管端扩口过程进行研究,得到材料常数a和b;然后,采用材料常数a和b,在FEM模拟中预测利用第三个锥形工具时管材的   大扩口   与实验结果进行对比,验证此方法的可靠性;   后,利用TRIP钢管与普通碳素钢管的管端扩口试验验证此方法的普遍适用性。结果表明,此方法具有较高的准确性和普遍适用性。

    (5)设计开发出环形拉伸试验装置,根据试验装置特点提出了确定管材周向应力、应变和塑性应变比(Cr值)的方法,并利用FEM数值模拟对此方法的可靠性进行验证。

    ①根据环形拉伸试验的几何关系和力学关系,得出了拉伸过程中沿管材周向的瞬时应力和应变。②利用刻在试样上的应变网格计算得到塑性应变比(Cr值)。③利用FEM数值模拟对环形拉伸试验过程进行了仿真,将FEM模拟中输入的材料真应力一真应变曲线与根据模拟结果利用此方法计算所得出的真应力一真应变曲线进行对比,验证此方法的可靠性,结果表明,两曲线符合较好,此方法准确可靠。

    (6)利用环形拉伸试验对TRIP钢无缝管A,B,E和F的周向力学性能进行了研究,分析了热处理工艺对各TRIP钢无缝管周向力学性能的影响。

    研究结果表明,在室温下拉伸速度为2.5mm/min时,热处理后各钢管的周向抗拉强度和屈服强度分别在600MPa和350MPa左右;周向延伸率较高,几乎所有钢管的延伸率均接近30%;钢管E-VI的强塑积达到19502MPa%,呈现出良好的强塑性组合。

    (7)设计开发出液压自由膨胀试验装置,提出了利用液压自由膨胀试验确定管材等效应力一等效应变曲线的方法,分析了形变速率以及热处理工艺对   大内压及   大膨胀高度的影响。

    分别采用增压速度为0.2MPa/s与O.5MPaIs,对不同热处理工艺TRIP钢无缝管F的液压自由膨胀性能进行了实验研究,结果表明:①过低的变形速率并不利于获得TRIP钢无缝管较好的内高压成形性能;②临界退火工艺   时,贝氏体区等温淬火时间从4min增大到6min,   大内压值呈现下降趋势;当贝氏体区等温淬火工艺   时,   大内压随着临界退火时间的延长呈增大趋势,   大膨胀高度呈减小趋势。本文所开发的TRIP钢管具有良好的综合力学性能和内高压成形性能,可满足内高压成形工艺对高强塑性材料的需求,生产出形状复杂、变形量大和强度高的内高压成形件,具有很高的实际应用价值。

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