一种节约型双相不锈钢中TRIP效应致塑性增量的表征方法

摘要

本发明提供一种节约型双相不锈钢中TRIP效应致塑性增量的表征方法，包括：利用高温拉伸试验获取试验钢的Md值；将拉伸试件加热到Md温度以上，消除TRIP效应对试验钢力学性能的影响，所得数据与常温拉伸数据对比，得出TRIP效应对试验钢均匀延伸率的具体影响数值；通过XRD物相分析得出室温拉伸试样拉断后的马氏体转变量；建立马氏体转变量与TRIP致塑性增量的关系；采用不通过固溶温度的试验钢材料对预测模型进行验证。本发明提供了一种利用实验方法计算TRIP效应导致的塑性增量的途径，并建立了利用马氏体转变量计算TRIP致塑性增量的预测模型，对更有效地利用Trip效应进行新产品的研发有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于力学性能表征与评估领域，特别是涉及节约型双相不锈钢中存在相变诱导塑性效应(TRIP效应)时，一种表征TRIP导致的塑性增量的方法。

背景技术

长期以来，传统Ni-Mo型双相不锈钢一直是制造石化、海洋等工程领域结构件的重要原材料。然而，由于双相不锈钢特有的两相结构，其发生塑性变形时，两相的加工硬化行为不同，使得两相变形协调性差，导致其塑性和成型性低，特别是大应变量成型加工难度极大，易出现裂纹缺陷，导致制造成本显著上升，这也成为制约双相不锈钢应用拓展的主要瓶颈之一。近年来，Mn-N合金化的节约型双相不锈钢在减少昂贵Ni金属用量来显著降低原材料成本的同时，还可获得亚稳奥氏体相，从而使得双相不锈钢在变形过程中发生马氏体形变，表现出相变诱导塑性(TRIP效应)，进而明显增加塑性，有效改善开裂问题。对于具有TRIP效应的双相不锈钢而言，成形性能的改善关键取决于亚稳奥氏体在塑性变形过程中始终能形成一定数量的马氏体，即能在较大变形范围内保持具有TRIP效应。然而，不同组织状态和变形条件下产生的马氏体能增加多少塑性，也就是说不同程度的TRIP效应分别能对应产生多少塑性增量？或者说材料不产生马氏体转变，不存在TRIP效应时的原始塑性有多大？始终由于缺少方法将具有TRIP效应的双相不锈钢的原始塑性及TRIP致塑性增量分离开来，而使得组织状态、变形条件等冶金、形变因素对马氏体相变引发的增塑效应的影响难以表征与评估导致该类亚稳双相不锈钢的研发以及性能调控缺少明确的参考依据，进一步增塑途径受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种节约型双相不锈钢中TRIP效应致塑性增量的表征方法，以实现TRIP效应致塑性增量的量化表征与评估。

为解决上述技术问题，本发明提供一种节约型双相不锈钢中TRIP效应致塑性增量的表征方法，其包括以下步骤：

S1、确定试验钢的TRIP效应的临界温度M_d值：在室温～100℃温度范围内进行一系列高温拉伸试验，确定M_d值的位置及数值；

S2、求解马氏体转变导致的塑性增量Δε：

S21、选取步骤S1中试验钢室温下以及略高于M_d值温度下的拉伸工程应力应变曲线，根据工程应力、应变与真应力以及真应变之间的对应关系，利用公式(1)和公式(2)得到对应的真应力-应变曲线；

ε＝ln(1+ε_E)>

σ＝σ_E·(1+ε_E)(2)

其中，ε为真应变，ε_E为工程应变，σ为真应力，σ_E为工程应力；

S22、利用公式(3)计算加工硬化率曲线(θ-ε)，

S23、根据步骤S22得到的加工硬化率曲线计算由马氏体转变导致的塑性增量Δε；

S3、对实验钢进行X射线衍射试验物相分析：选取室温拉断后断口附近位置的试样进行测试，采用Cu靶进行扫描，通过获得变形前和变形后试验钢中奥氏体的含量，计算求得各条件下形变诱导马氏体的饱和含量，奥氏体含量利用公式(4)进行计算：

其中，V_γ是奥氏体的体积分数；I_γ是奥氏体晶面衍射峰的积分强度；I_α是铁素体晶面衍射峰的积分强度，通过该公式得出室温状态下变形前和变形后试验钢中奥氏体的含量，两者的差值即为拉伸过程产生的马氏体转变量V_M；

S4、计算值：通过公式(5)计算单位体积马氏体含量导致的塑性增量

S5、验证步骤S4中得到的值的唯一性，并得出马氏体含量导致的塑性增量与马氏体转变量之间表征公式：采用锻后试验钢在多个固溶温度下的试样，重复进行步骤S1-S4的求解计算，能够得到多组相同的的值，从而得知马氏体含量导致的塑性增量与马氏体转变量之间表征公式为：

Δε＝0.5V_M

其中，Δε为马氏体含量导致的塑性增量，V_M为马氏体转变量。

优选地，步骤S3中采用Cu靶进行扫描的扫描角度为20～120°，扫描速度为2°/min。

优选地，步骤S4中的值为0.5。

优选地，步骤S5中多个固溶温度分别为1050摄氏度、1100摄氏度、1150摄氏度和1200摄氏度。

优选地，步骤S23具体包括以下步骤：

S231、将试验钢在室温下以及略高于M_d值温度下温度下的真应力-应变曲线、加工硬化率曲线与室温下的真应力-应变曲线、加工硬化率曲线放在同一坐标系下；

S232、在该坐标系下，各温度下真应力-应变曲线与加工硬化率曲线的交点即为对应温度下的失稳真应变，将对应温度下的失稳真应变利用公式(1)反算出各温度下的失稳工程应变；

S233、计算两个温度下失稳工程应变的差值，该差值即为马氏体转变导致的塑性增量Δε。

优选地，步骤S231中利用origin软件将试验钢在室温下以及略高于M_d值温度下温度下的真应力-应变曲线、加工硬化率曲线与室温下的真应力-应变曲线、加工硬化率曲线放在同一坐标系下。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本实施例所述的节约型双相不锈钢中TRIP效应致塑性增量的表征方法提供了一种利用实验方法计算TRIP效应导致的塑性增量的途径，建立了利用马氏体转变量计算TRIP致塑性增量的预测模型。这一模型可以简便精确地预测TRIP效应导致的塑性增量，对学者更有效地利用TRIP效应进行新产品的研发有重要意义。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明:

图1为TRIP效应致塑性增量的计算方法及原理；

图2a为试验用钢的高温拉伸工程应力应变曲线；

图2b为2205双相不锈钢的高温拉伸工程应力应变曲线；以及

图3为部分力学性能及计算结果。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种节约型双相不锈钢中TRIP效应致塑性增量的表征方法，其包括以下步骤：

S1、确定M_d值：在室温～100℃温度范围内进行一系列高温拉伸试验，确定M_d值的位置及数值；

S2、求解塑性增量Δε：

选取步骤S1中试验钢室温和略高于M_d值的拉伸工程应力应变曲线，根据工程应力、应变与真应力、真应变之间的对应关系，利用公式(1)、(2)公式可得对应的真应力-应变曲线，

ε＝ln(1+ε_E)>

σ＝σ_E·(1+ε_E)(2)

其中，ε为真应变，ε_E为工程应变，σ为真应力，σ_E为工程应力；

利用公式(3)计算其加工硬化率曲线，并与真应力应变曲线放在一起；

S3、XRD物相分析：选取室温拉断后断口附近位置的试样进行测试，采用Cu靶进行扫描，通过获得未变形前和变形后试验钢中奥氏体的含量，计算求得各条件下形变诱导马氏体的饱和含量，奥氏体含量利用公式(4)进行计算：

其中，V_γ是奥氏体的体积分数；I_γ是奥氏体晶面衍射峰的积分强度；I_α是铁素体晶面衍射峰的积分强度，用此方法分析计算形变诱导马氏体转变量V_M；；

S4、计算值：通过公式(5)计算单位体积马氏体含量导致的塑性增量

S5、验证值的唯一性：采用锻后材料在多个固溶温度下的试样，重复进行步骤S1-S4的求解计算，得到多组相同的的值，能够得知，TRIP致塑性增量与马氏体转变量之间满足如下公式：

Δε＝0.5V_M

优选地，步骤S3中采用Cu靶进行扫描的扫描角度为20～120°，扫描速度为2°/min。

优选地，步骤S4中的值为0.5。

优选地，步骤S5中多个固溶温度分别为1050摄氏度、1100摄氏度、1150摄氏度和1200摄氏度。

具体实施例

S1、确定试验钢发生TRIP效应的的Md值：

由于发生TRIP效应的拉伸曲线具有应力值二次上升现象，在其加工硬化率曲线上表现为“S”型走势。而随着变形温度的升高，“S”型趋于平缓，直至升高到某一临界温度Md(一般不高于100℃)。当变形温度继续升高时，材料不再发生TRIP效应。因此，在室温～100℃温度范围内进行一系列高温拉伸试验，即可确定Md值的大致位置。

在本实施例中，本试验材料为锻后固溶态组织(固溶温度为1000℃)，通过进行一系列高温拉伸试验测得其Md值约为65℃。

S2、求解塑性增量Δε：

基于无TRIP效应的普通钢材低温(常温～100℃)拉伸时力学性能变化不大，其均匀延伸率变化幅度可忽略不计这一特点(这里以典型无TRIP效应的双相不锈钢—2205双相不锈钢为例，其室温均匀延伸率与100℃的均匀延伸率相差2％，详见附图2、3)，我们将拉伸试样加热到Md温度以上，即可消除TRIP效应对试验钢延伸率的影响。所得数据与常温拉伸数据对比，得出TRIP效应对试验钢均匀延伸率的具体影响数值(TRIP效应对材料塑性的贡献是增强其均匀延伸率)，即TRIP效应导致的塑性增量Δε。计算方法如下：

选取步骤S1中试验钢室温和略高于Md值(试验选择70℃)的拉伸工程应力应变曲线，根据工程应力、应变与真应力、真应变之间的对应关系，利用公式(1)、(2)公式可得对应的真应力-应变曲线。其中，ε,ε_E分别为真应变与工程应变，σ,σ_E分别为真应力与工程应力；

ε＝ln(1+ε_E)(1)

σ＝σ_E·(1+ε_E)>

利用公式(3)计算其加工硬化率曲线，并利用origin软件将试验钢在室温下以及略高于M_d值温度下温度下的真应力-应变曲线、加工硬化率曲线与室温下的真应力-应变曲线、加工硬化率曲线放在同一坐标系下；

根据失稳判据可知，真应力应变曲线和加工硬化率曲线的焦点即为材料拉伸失稳时的真应变。由此获得试验钢在室温和70℃变形温度条件下的失稳真应变(超过这一真应变，材料失稳，在宏观上表现为试样发生颈缩)；

利用公式(1)将失稳真应变换算成材料失稳时的工程应变，即试验钢的均匀延伸率。试验钢在室温和70℃变形温度条件下均匀延伸率的差值即为TRIP效应导致的塑性增量Δε。计算原理参见附图1。

S3、对试验钢进行XRD物相分析(X射线衍射试验物相分析)：选取室温拉断后断口附近位置(近似对应变形量最大位置)的试样进行测试，采用Cu靶，扫描角度为20～120°，扫描速度为2°/min。通过获得未变形前(固溶态)和变形后试验钢中奥氏体的含量，计算求得各条件下形变诱导马氏体的饱和含量。利用公式(4)计算奥氏体含量：

其中，Vγ是奥氏体的体积分数；Iγ是奥氏体{200}、{220}和{311}晶面衍射峰的积分强度；Iα是铁素体{200}、{211}晶面衍射峰的积分强度。用此方法分析计算形变诱导马氏体(饱和)转变量(马氏体体积分数)VM。

S4、计算值：通过公式(5)计算单位体积马氏体含量导致的塑性增量其值约为0.5.

S5、验证值的唯一性并求解致塑性增量与马氏体转变量之间的表征公式：采用锻后材料在其他固溶温度下(1050、1100、1150、和1200)的试样，同样进行步骤①—④的求解计算，计算结果见附图3。我们发现，接近一个定值(0.5)，即TRIP效应致塑性增量与马氏体转变量之间的表征公式为：

Δε＝0.5V_M

利用此关系，可以实现对TRIP致塑性增量的预测。

本实施例所述的节约型双相不锈钢中TRIP效应致塑性增量的表征方法提供了一种利用实验方法计算TRIP效应导致的塑性增量的途径，建立了利用马氏体转变量计算TRIP致塑性增量的预测模型。这一模型可以简便精确地预测TRIP效应导致的塑性增量，对学者更有效地利用TRIP效应进行新产品的研发有重要意义。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。