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大口徑階梯厚壁管作為多個行業(yè)的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系著重要裝備的效能和服役可靠性。階梯厚壁管材料的顯微組織特征和力學(xué)性能參數(shù)對于高壓容器質(zhì)量具有決定性影響。Cr-Ni-Mo-V系中碳合金鋼因具有優(yōu)異的強度-韌性協(xié)同效應(yīng)，已成為當(dāng)前主流的梯度承壓管制備材料。為獲得具備超低夾雜物含量、優(yōu)異斷裂韌性的特種合金材料，可采用電渣重熔精煉工藝制備高品質(zhì)鑄錠。

階梯厚壁管作為關(guān)鍵承壓容器單元，承擔(dān)著關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)化過程。在動態(tài)載荷作用過程中，該構(gòu)件的服役條件異常嚴(yán)苛：首先面臨高溫?zé)g效應(yīng)，推進(jìn)劑燃?xì)饪蓪?dǎo)致管壁瞬態(tài)溫度突破3000℃的閾值，極端熱載荷不僅引發(fā)材料燒蝕損耗，更可能引起結(jié)構(gòu)蠕變失穩(wěn)；其次承受超高循環(huán)應(yīng)力，管腔內(nèi)壁的動態(tài)壓強峰值可達(dá)500~700MPa量級，因此，梯度承壓管必須具備卓越的抗疲勞斷裂性能。熱-力耦合效應(yīng)、高壓密封性、界面磨損機制及化學(xué)腐蝕防護，構(gòu)成了梯度承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝中必須系統(tǒng)解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

傳統(tǒng)的為階梯厚壁管鍛件采用冶煉鑄錠、實心鍛造再機械加工為管材的生產(chǎn)工藝。隨著3.6萬噸垂直擠壓機的建設(shè)成功，探索采用鐓粗和擠壓方式生產(chǎn)厚壁管。本文旨在研究40CrNi4MoV鋼在鍛造條件下不同加熱時間對組織變化的影響作用效果。

在鐓粗和擠壓成形厚壁管工藝時，保溫時間是最便于調(diào)整的因素。Dryukova I N等開展了高溫變形后奧氏體晶粒尺寸變化的動力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)晶格缺陷積累和缺陷湮滅這兩種機制的相互影響作用。Du S W等研究了奧氏體晶粒在加熱過程中的長大行為及熱變形影響。蔣喬等研究了在保溫過程中奧氏體晶粒尺寸演化規(guī)律，建立了多因素耦合晶粒長大模型。趙明等研究了高溫固溶處理時，固溶溫度與保溫時間對晶粒尺寸的影響。通過對比研究加熱保溫時間對晶粒尺寸與分布、位錯密度等顯微組織結(jié)構(gòu)特征的影響，為40CrNi4MoV鋼在兵器裝備材料的制備和性能優(yōu)化提供重要的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)，推動相關(guān)領(lǐng)域的科研與技術(shù)進(jìn)步。

1 實驗材料與方法

實驗材料采用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的40CrNi4MoV鋼錠，采用電渣重熔的方式冶煉鑄錠，化學(xué)成分見表1。

由于電渣鋼錠內(nèi)部晶粒組織存在著明顯的方向性，為掌握晶粒不同塑性變形條件下組織再結(jié)晶情況，沿軸向和徑向兩個方向分別剖取試驗試件，如圖1所示，試件尺寸為Ф40mm×100mm。

將鋼錠上剖取的實物材料加工為Ф40mm×100mm試件，對應(yīng)的試件高徑比為2.5。將試件在電爐中加熱、保溫，取出進(jìn)行鍛造變形。為避免試件與砧面接觸部分的材料降溫過快而影響變形的準(zhǔn)確性，在試件與砧面接觸的上下表面位置鋪設(shè)石棉保溫材料，分別進(jìn)行鐓粗、拔長變形，然后放入水中冷卻以保存組織狀態(tài)。剖取試件的心部組織，采用過飽和苦味酸腐蝕得到晶粒組織情況。此外，分別切取尺寸為10mm×10mm×4mm的塊狀樣品，打磨拋光后，利用電子背散射衍射(Electron Backs-catter Diffraction, EBSD) 技術(shù)進(jìn)一步觀察顯微組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)，掃描步長為0.3μm，利用軟件OIM、Aztec Crystal處理EBSD數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果

2.1 鐓粗過程中產(chǎn)生裂紋的形貌   

將鋼試件加熱至1200℃，保溫1h，進(jìn)行壓下率為50%的鐓粗變形，然后放入水中冷卻至室溫。采用線切割的方法將試件沿子午面對半剖分，在軸向試件子午面向上多次發(fā)現(xiàn)尺寸較大的裂紋，裂紋形貌和裂紋區(qū)域組織如圖2所示。

裂紋形貌如圖2a和圖2b所示，而在未變形的試件的相同位置處未觀察到裂紋。剖取試件中含有裂紋的部分進(jìn)行組織分析，由圖2c可以看出，裂紋主要沿晶粒邊界分布，裂紋位置不在試件的大變形區(qū)，由此斷定試件剖分面上的裂紋為鋼錠內(nèi)部組織在鐓粗過程中產(chǎn)生的裂紋，可能是由于鋼錠內(nèi)部原始晶粒組織結(jié)合力較弱所致。

分別對試件保溫7和9h并進(jìn)行鐓粗變形，放入水中冷卻至室溫的試件，經(jīng)相同方法解剖后，相同位置處未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.2 保溫時間對晶粒組織的變化影響          

由于電渣重熔鋼錠中晶粒組織存在著明顯的方向特性，為此分別研究不同方向上塑性變形對晶粒組織變化的影響效果。當(dāng)塑性變形主方向與晶粒生長方向垂直時，將試件加熱至1200℃，分別保溫1、3、5、7、9h，進(jìn)行壓下率為50%的鐓粗變形，然后在水中冷卻至室溫。采用過飽和苦味酸進(jìn)行表面腐蝕，得到的晶粒組織如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著保溫時間的變化，晶粒組織的大小、形貌等特征變化不明顯，但是腐蝕晶粒組織時的腐蝕時間明顯縮短，由此推斷，晶粒晶界組織發(fā)生了明顯變化。

當(dāng)塑性變形主方向與晶粒生長方向平行時，將試件加熱至1200℃，保溫時間分別為1、3、5、7、9h，進(jìn)行壓下率為50%的鐓粗變形，然后放入水中冷卻至室溫。剖取在子午面心部位置的試件，采用過飽和苦味酸進(jìn)行表面腐蝕，得到的材料晶粒組織如圖4所示。由圖4可以看出，隨著保溫時間的變化，晶粒組織的大小變化不明顯，但是腐蝕晶粒組織時的腐蝕時間明顯縮短。

對比圖3和圖4相同條件下的晶粒組織狀態(tài)可以看出，塑性變形主方向?qū)ЯＩL方向上晶粒再結(jié)晶細(xì)化效果的影響不明顯。綜合圖3和4晶粒組織可以看出，不同保溫時間下晶粒組織狀態(tài)相差不明顯，由此可以推斷保溫時間對晶粒組織的影響效果不明顯。但是，采用相同的腐蝕條件時腐蝕時間存在明顯差異，由此得出，保溫時間對材料組織擴散即晶界的化學(xué)成分均勻性存在著影響，故保溫時間可能影響材料的力學(xué)性能。

2.3 塑性變形對晶粒組織的影響

 在鋼錠上剖取晶粒沿軸向分布的材料，分別加工為Ф40mm×100mm的試件, 對應(yīng)的試件高徑比為2.5。將試件在電爐中加熱至1200℃，保溫3和5h, 然后進(jìn)行壓下率為50%的鐓粗+壓下率為30%的拔長組合工藝試驗，水中冷卻后解剖，分析組織變化情況。腐蝕劑采用過飽和苦味酸，剖取試件子午面上心部位置的晶粒組織如圖5所示。

測量得到了不同保溫時間、不同變形方式下，試件中不同位置的晶粒度大小，如表2所示。其中，部分試樣因晶粒尺寸不均勻，故僅能獲得雙重晶粒度級別，無法測得其平均晶粒度級別。

 由表2中數(shù)據(jù)可知，保溫時間對晶粒組織變化影響不明顯。以鐓粗+拔長工藝進(jìn)行變形時，晶粒組織進(jìn)行細(xì)化明顯，并且分布均勻。因此，足夠的塑性變形是保證晶粒細(xì)化的最有效方式。

2.4 EBSD組織分析試驗

將鋼試件加熱至1200℃，保溫3h，進(jìn)行壓下率為50%的鐓粗變形和鐓粗+拔長變形，然后放入水中冷卻至室溫，采用EBSD分析方法得到的試件心部晶粒如圖6所示。

由圖6可以看出，相同位置處，鐓粗+拔長變形的晶粒細(xì)化效果更為明顯。分析結(jié)果與采用過飽和苦味酸腐蝕后所獲的晶界結(jié)果一致，驗證了試驗結(jié)果的合理性。

將試件加熱至1200℃，分別保溫1、3、5、7和9h，進(jìn)行鐓粗壓下率50%的塑性變形后。對試件心部進(jìn)行EBSD檢測，40CrNi4MoV鋼的軸向和徑向的反極圖(Inverse Pole Figure， IPF)如圖7所示。

由圖7可以看出，在同一位置處, 隨著保溫時間的增加，小角度和大角度晶界的比例明顯升高，但是小角度晶界升高得更明顯，保溫時間對晶粒尺寸細(xì)化的影響不明顯。40CrNi4MoV鋼的軸向和徑向試樣的取向差角分布(Kernel Average Misorientation，KAM) 圖與平均取向差如圖8所示。

2.5 保溫時間對鍛合顯微組織的影響

電渣重熔鋼錠中晶粒組織之間的結(jié)合力較弱，需要經(jīng)過足夠時間的高溫擴散，以提高其塑性，避免鐓粗變形時開裂。

鐓粗過程中，塑性變形分布規(guī)律決定了晶粒組織不能得到完全細(xì)化，后續(xù)擠壓工藝參數(shù)需要與鐓粗變形過程綜合考慮，以保證大部分晶粒組織能夠得到細(xì)化，但在晶粒未完全均勻條件下難以完全滿足綜合力學(xué)性能指標(biāo)。若需細(xì)化鍛件晶粒組織來保證力學(xué)性能，則需要增加鐓粗和拔長變形。目前，常用的鐓粗和擠壓工藝存在著較大的提升空間。

由于擠壓工藝過程的塑性變形量較大，較大塑性變形區(qū)域內(nèi)金屬組織能夠得到細(xì)化。塑性變形量較大區(qū)域主要分布于厚壁管中段，試件兩端剖面上為變形量較小的區(qū)域。綜合分析熱成形工藝過程可知，整個管壁上存在著未變形區(qū)或小變形區(qū)，該區(qū)內(nèi)組織不能得到充分再結(jié)晶細(xì)化。若鑄造組織性能不能滿足力學(xué)性能要求，則建議調(diào)整成形工藝參數(shù)。

3、結(jié)論

(1) 電渣鋼錠中晶粒組織之間的塑性較差, 在鐓粗變形過程中需要足夠的加熱時間, 提高組織均勻性, 為后續(xù)加工提供合理的工藝基礎(chǔ)。

(2) 鐓粗變形工藝條件下, 由于塑性變形分布的不均勻性, 晶粒組織難以全部細(xì)化。該類材料若增加鐓粗和拔長工藝次數(shù), 可使晶粒細(xì)化, 能夠有限地提高鍛件變形的均勻性。