1、材料熱處理技術Material &Heat Treatment 2010年11月從拉伸應力-應變曲線分析06Ni9鋼強韌性配合劉東風1,2, 陸淑娟2, 衛英慧1, 侯利鋒1(1.太原理工大學材料科學與工程學院, 山西太原030024;2. 太原鋼鐵(集團 有限公司技術中心, 山西太原030005摘要：選擇了4組06Ni9鋼典型的拉伸應力-應變曲線，分析了曲線類型與其強韌性之間的關系。研究表明：如果成分一定，拉伸曲線上有明顯的屈服點和屈服平臺，那么其強韌性配合良好，能夠滿足性能指標要求。同時認為，屈服強度取決于回火后偏聚于刃型位錯周圍的碳原子濃度，而低溫沖擊韌度則取決于回轉奧氏體及其中

2、所含合金元素的數量和濃度。關鍵詞：06Ni9鋼；應力-應變曲線；回轉奧氏體；屈服現象中圖分類號：TG441.8文獻標識碼：A文章編號：1001-3814(201022-0030-03Analysis on Combination of Strength and Impact Toughness fromStress -strain Curves of 06Ni9SteelLIU Dongfeng 1,2, LU Shujuan 2, WEI Yinghui 1, HOU Lifeng 1(1.College of Materials and Engineering , Taiyuan Univ

3、ersity of Technology, Taiyuan 030024, China ; 2. Technical Center , Taiyuan Iron and Steel (Group Company Ltd ., Taiyuan 030005, China Abstract ：Four group stress-strain curves with various characteristics were selected to analyze relationship between the curve characteristic and the combination of

4、strength and impact toughness. The results show that, for a given 06Ni9steel, an excellent combination of strength and impact toughness will obtain if there is an obvious yield phenomenon, i.e., yield point and yield elongation in the stress-strain curve, which means that the specimen can meet the n

5、eed of mechanical properties. At the same time, it points out that the yield strength of 06Ni9steel is determined from carbon atom concentration segregated in the vicinity of edge dislocations in the ferrite after tempering, while the impact toughness depends on the quantities of retained austenite

6、and the concentration of alloying elements dissolved in the retained austenite.Key words ：06Ni9steel; stress-strain curve; retained austenite; yield phenomenon06Ni9鋼是一種用于制作液化天然氣(LNG儲罐的低溫鋼，國外經過多年的研究和開發已經實現了產業化1。我國雖然在20世紀70年代也曾立項研究過，但沒有形成產量。隨著世界范圍內能源危機的日趨加劇，液化天然氣的開采、運輸和儲存成為一項事關國家安全的緊迫任務，由此超低溫用鋼的國產化提上了

7、議事日程。近年來，太鋼在國家“863”和“973”計劃支持下，在國內率先批量生產出了性能合格的各種規格的06Ni9鋼板材，并開始實際應用2。驗，要求R el 585MPa ，R m =680820MPa ，斷后伸長率A 18%，橫向低溫沖擊功A KV (-196 80J 3。一般情況下，斷后伸長率完全能夠達到指標要求，但偶爾會出現強度或者低溫沖擊韌度不能滿足標準要求，從而必須進行二次熱處理來進行調整，這在一定程度上增加了生產的難度和成本。在長期的研究開發和生產實踐中發現，拉伸應力-應變的形狀反映了這種鋼的強度和韌度配合程度，甚至能從拉伸曲線判斷某一批次鋼是否滿足強度和韌度要求。本文分析了幾種0

8、6Ni9鋼拉伸應力-應變曲線與其強韌性配合之間的關系，目的是揭示其中的必然聯系，并為生產實踐提供理論指導和技術支持。06Ni9鋼經過熱處理后，經拉伸和低溫沖擊試收稿日期:2009-10-09基金項目:國家863計劃(2007AA03Z555;山西省教育廳人事廳科技開發項目(2009; 山西省科技攻關項目(20090321072及省歸國留學人員項目資助作者簡介:劉東風(1957-, 男, 山西五臺人, 高級工程師, 碩士, 主要從事軍工材料研究; 電話1實驗材料與方法實驗用06Ni9鋼均取自某廠大生產板材，化學E-mail:liudf通訊作者:衛英慧(1966-, 男

9、, 山西萬榮人, 教授, 博士生導師;電話E-mail:yhwei成分滿足表1所示范圍。拉伸試驗和低溫沖擊試驗均在該廠技術中心經校正的萬能拉伸試驗機及沖擊試驗機上進行。拉伸試樣為板狀試樣，板厚9mm ，30Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.22下半月出版表1實驗用06Ni9鋼成分范圍(質量分數, % 4Material &Heat Treatment 材料熱處理技術Tab.1Chemical composition of 06Ni9steel used in theexperimentation (wt,% 4CS

10、iMnPSMoVNi0.060.350.300.800.0080.0050.100.018.5010.00中沒有屈服現象出現；而完全滿足性能要求的8#和9#試樣，其拉伸曲線上，有明顯的屈服點和屈服平臺，屈服后的應變硬化速率較小，屈強比較高。由此可知，具有最佳強度和韌度配合的06Ni9鋼的拉伸曲線，其主要特點是有明顯的屈服點和屈服平臺。生產實踐的統計數據也證實了這一點。尺寸執行GB/T229-2002。低溫沖擊試樣為夏氏V 型缺口試樣。2.106Ni9鋼屈服現象及其強韌性屈服現象(yield-pointphenomenon 包括屈服點2實驗結果及討論根據生產中板材力學性能測試數據，選取了4(yi

11、eldpoint 和屈服平臺(yieldelongation 在多種金屬中都觀察到了這一現象。人們用位錯理論對鋼的屈服現象進行了很好地解釋5，主要涉及低碳鋼在退火后位錯與間隙溶質原子之間的相互作用。鐵素體中間隙原子碳和氮非常容易擴散到能量較低的正刃型位錯插入原子面的下方位置，沿著位錯核心形成間隙原子列，這列間隙原子會與相鄰的位錯產生強烈的彈性交互作用，釘扎位錯，阻礙位錯運動，這就是所謂的柯氏氣團(cottrellatmosphere。上屈服點就是使位錯擺脫柯氏氣團運動所需要施加的應力。位錯擺脫柯氏氣團后，其滑移所需要的應力會降低，然后穩定在一定的水平(下屈服點 。伴隨著變形的進行，原來的位錯在

12、晶粒邊界塞積，同時有新位錯產生。位錯塞積會在位錯列尖端形成應力集中，加上外加應力，會啟動相鄰晶粒中的位錯滑移的啟動和新位錯的產生，由此形成了屈服平臺。屈服現象主要取決于位錯與溶質原子的交互作用能和溶質原子的濃度。溶質原子和刃型位錯的交互作用能可以用下式近似表示6：組試樣，其力學性能數據列于表2，分別是屈服強度和沖擊韌度不合格、屈服強度不合格、抗拉強度和沖擊韌度不合格以及性能合格之情況。不同試樣的化學成分列于表3。表2實驗所選擇的四組試樣的力學性能Tab.2Mechanical properties of 06Ni9steel specimens組別編號R eL R mA (%/MPa /MPa

13、 56556057555052064077062566577077571075075088595569070018.019.525.019.518.5A KV /J 156766658562627436860屈強比說明屈服、沖擊不合格1#2#0.730.720.810.730.690.720.810.910.953#4#5#6#7#22.51681541151141827256506623.0144150154屈服不合格抗拉、沖擊不合格合格8#9#24.510714013423.0164145115注:4#、5#、6#、7#雖成分相同，熱處理工藝相同，但在實際生產中，由于爐溫控制等問題，導致性

14、能存在不同程度的差異。表3所選擇試樣的化學成分(質量分數, %Tab.3Chemical composition of 06Ni9steel specimens(wt,%編號U=4Gba 3(sin/r其中，G 是彈性模量，b 為位錯的長度，為間隙原子引起的應變，a 為位錯核心間隙位置平均半徑，和r 分別為極坐標變量?？梢钥闯?，如果材料一定，溶質與位錯的交互作用能基本確定。因此，鋼的屈服現象主要取決于鐵素體中間隙原子的濃度，特別是偏聚于位錯周圍的間隙原子濃度。換言之，如果偏聚間隙原子濃度偏低，屈服現象就不明顯或者不出現。C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti Al1#2#3#0.040

15、0.24000.580.0020.0020.0119.1700.0050.0030.0320.0350.24000.560.0030.0020.0309.1900.0200.0020.0300.0380.21040.54450.0030.0020.0139.2490.0050.0030.0294#、5#、0.03950.26370.56020.0020.0020.0069.3370.0040.0030.0276#、7#8#9#0.03470.25480.55160.0020.0020.0079.3040.0040.0020.0230.0380.3000.560.0020.0010.019.37

16、00.0030.0030.02606Ni9鋼力學性能不同，拉伸應力-應變曲線存在明顯差異。屈服強度和沖擊韌度不合格的試樣，其拉伸應力-應變曲線有屈服現象，但沒有屈服平臺6#和7#試樣拉伸曲線沒有屈服現象，抗拉強度超標，低溫韌度較低，表明這兩組試樣沒有回火或者回火不完全，基體仍然是馬氏體組織，碳原子處于體心立方的間隙位置，沒有或者很少形成柯氏氣團，因而拉伸時彈性階段結束后，直接發生了應變硬化，形成了類似上拋物線的應力-應變曲線。表2中和組的拉伸曲線形狀介于和組(plateau；屈服強度不合格試樣的拉伸應力-應變曲線變化趨勢與屈服強度和沖擊韌度不合格試樣的曲線基本相同，只是試樣發生屈服后，應變硬化

17、速率較低；抗拉強度和沖擊韌度均不合格試樣在拉伸過程熱加工工藝2010年第39卷第22期31材料熱處理技術Material &Heat Treatment之間，均有不明顯的屈服現象。說明馬氏體回火不足，鐵素體和間隙原子數量有限，拉伸時沒有形成足夠數量的柯氏氣團，因而雖有屈服趨勢，但過程不完整。其中組接近組情形，組與組相近，兩種情況都導致了屈服強度降低，抗拉強度偏高。2010年11月證，但也會影響低溫韌度。這正是06Ni9鋼具有最佳回火溫度區間的重要原因。根據生產實際經驗，并結合理論分析，可以認為，如果保證了06Ni9鋼成分合格穩定，拉伸曲線上有明顯屈服現象時，就基本可以判定該批次板材達到

18、了強度和低溫沖擊韌度的指標要求。組情況除屈服強度偏低之外，低溫沖擊韌度也不合要求，因此要適當提高回火溫度，才能彌補強韌性配合不好的組織缺陷。組情況，低溫沖擊韌度已經合格，要提高屈服強度，可能要重新進行淬火回火處理。組情況可以直接進行回火。值得注意的是，06Ni9鋼的強韌性配合有其自身的特點，即需要回火時產生回轉奧氏體來保證低溫沖擊韌度7-10。回轉奧氏體對屈服強度影響不大，主要決定06Ni9鋼的低溫沖擊韌度?；鼗疬^程包括回轉奧氏體的形成、碳和合金元素的再分配。屈服強度取決于這個過程中鐵素體和間隙原子的形成數量，而低溫韌度則取決于奧氏體形成數量、奧氏體中碳和合金元素含量。由于鋼中合金元素含量一定

19、，回轉奧氏體數量與其中所含合金元素量是相互關聯的，奧氏體量過多，其中合金元素濃度下降，奧氏體穩定性降低；奧氏體量太少，合金元素濃度可以保2.206Ni9鋼的屈強比由表2中4組試樣的屈強比可看出，滿足性能要求試樣的屈強比都大于0.9。反映在應力-應變曲線上，是發生屈服現象后，應力隨應變變化不大，有時甚至呈近似水平線變化，直至發生斷裂。一般來說，屈強比升高意味著材料的形變強化能力降低，應變強化指數相應減小，存在一定的脆性破壞風險。對于06Ni9鋼目前沒有屈強比的要求，但從對強度和韌度指標要求來看，屈強比不可能小于0.9，實際上有時甚至達到0.95以上，作為重要的工程結構材料，這是值得注意和深入探討

20、的一個問題。與屈強比相關的是06Ni9鋼板材服役過程中力學性能的變化，目前這方面研究工作較少。在研究中注意到，試樣經過-196低溫沖擊試驗后，回轉奧氏體轉變成了孿晶馬氏體(圖1 ，數量急劇減少， 這種情況下力學性能如何，目前尚不得而知。盡管06Ni9鋼服役環境溫度(液化天然氣溫度為-162 遠遠高于這個溫度，但從服役安全角度來看，了解力學性能隨溫度和時間的變化規律非常重要。詳細情況將另文討論。刃型位錯周圍的碳原子濃度；而低溫韌度取決于回轉奧氏體以及其所含合金元素的數量。參考文獻：123劉東風，楊秀利，衛英慧，等液化天然氣儲罐用低溫9Ni 鋼的研究及應用J鋼鐵研究學報，2009，21(9：1-5

21、王國華低溫壓力容器用9%Ni鋼的組織及疲勞性能研究3結論(106Ni9鋼拉伸應力-應變曲線上如果有屈服D太原：太原理工大學，2009太鋼技術中心信息室低溫壓力容器用Ni 系鋼生產技術文獻匯編M太原：太原鋼鐵(集團 有限公司，20061-4現象出現，即有屈服點和屈服平臺，那么說明其強度和韌度配合良好，滿足性能指標要求。(206Ni9鋼的屈服強度取決于偏聚于鐵素體32(下轉第41頁Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.22下半月出版的熱變形激活能Q=80.1kJ/mol的程度不大，平均晶粒尺寸從5m 細化到4.2m ，如圖1(c所示。在ARB 2后，細化的程

22、度不大，但均勻程度明顯增加，等軸度也明顯增加，如圖1(d所示。從上述分析可以得到這樣的結論，晶粒細化主要是在第一次軋制過程中完成的。經第一道ARB 后，晶粒有一定程度的細化。當晶粒尺寸一旦細化到某一個臨界值，隨后的ARB 處理對細化晶粒并無明顯效果，只是均勻程度增加。Material &Heat Treatment 材料熱處理技術C P S C P S 在ARB 1后，晶粒得到了進一步的細化，但細化相343638404244801001202/(°圖3AZ91鎂合金X 射線衍射圖譜(ARB2204060Fig.3XRD spectrum of AZ91alloy (ARB22

23、.3AZ91在ARB 中晶粒細化的機制AZ91經ARB 0后樣品的TEM 組織見圖2。原始粗大的晶粒(如圖中黑色箭頭所示 經形變后，在其晶粒內部形成了大量的亞晶和位錯亞結構。鋸齒狀的晶界和細小的亞晶如圖中白色箭頭所示，在亞晶內部和亞晶界處可以清楚看見位錯結構，粗晶內部含有大量的位錯胞，這些細的位錯胞結構能夠通過一個回復過程轉變為亞晶結構，由此可推知，亞晶首先在鋸齒狀的晶界附近形成，隨著變形的進行，通過位錯胞轉化為亞晶界，亞晶結構會覆蓋整個晶粒區域。圖1說明AZ91在ARB 過程發生了動態再結晶，并因此而導致了晶粒細化。采用X 射線衍射技術對AZ91鎂合金ARB 2條件下制備的樣品進行測試。衍射

24、圖譜如圖3所示，在衍射圖譜的放大部分中，可看到第二相粒子(Mg12Al 17 的峰非常明顯，這說明AZ91鎂合金在經過兩道態再結晶。試樣表面沒有發生明顯的開裂。從熱加工性和晶粒細化的角度考慮，確定適宜的熱變形工藝為：變形溫度350、應變速率0.01s -1。在Gleeble-3500上模擬AZ91的ARB 過程，對AZ91鎂合金在累積疊軋焊過程中組織的演變和細化的機制加以研究。表明晶粒在第一次變形過程中明顯細化，其機制是發生了動態再結晶，在隨后的疊軋過程中，晶粒細化程度有限，但組織均勻程度增加。參考文獻:12345678陳振華鎂合金M北京：化學工業出版社，20041-22劉正，張奎，曾小勤鎂基輕質合金理論基礎及其應用M北京：機械工業出版社，200241-45楊重愚輕金屬冶金學M北京：冶金工業出版社，200236-48曾榮昌，柯偉，徐永波，等Mg 合金的最新進展及應用前景J金屬學報，2001，37(7：673-680王祝堂以色列死海鎂廠J世界有色金屬，1998，(4：ARB 過程后，仍存在有第二相粒子，這種第二相粒子對鎂鋁合金的晶粒細化起著重要的作用，它能阻礙位錯運動，使晶粒細化穩定。46-47張詩昌，段海橋，蔡啟舟，等主要合金元素對鎂