高強塑性TRIP鋼無縫管的開發(fā)及其內(nèi)高壓成形性能的研究.pdf

1、在社會倡導(dǎo)低碳節(jié)能環(huán)保的大背景下，各種運輸機械也向著輕量化的方向發(fā)展。目前，利用內(nèi)高壓成形等技術(shù)生產(chǎn)空心零件以代替實心零件具有的顯著減重效果倍受關(guān)注。為了提高空心零件的強度并降低生產(chǎn)成本，則需要研究開發(fā)出具有較高強度同時兼有良好成形性能的管坯。在此背景下，本文將已經(jīng)趨于成熟的TRIP鋼生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用到了鋼管的生產(chǎn)領(lǐng)域，成功開發(fā)出了具有鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和少量馬氏體組織的薄壁TRIP鋼無縫管，并利用普通拉伸、管端擴口、環(huán)形拉伸以及液

2、壓自由膨脹等試驗手段對其力學(xué)性能及內(nèi)高壓成形性能進行了試驗研究，分析了熱處理工藝對TRIP鋼無縫管微觀組織、力學(xué)性能以及內(nèi)高壓成形性能的影響。主要創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)利用冶煉-鍛造-穿孔-冷拔-熱處理工藝成功生產(chǎn)出了化學(xué)成分為A、B、C、D、E和F的TRIP鋼薄壁無縫管。
　　TRIP鋼無縫管的微觀組織含有鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體及少量馬氏體，具有良好的軸向力學(xué)性能，延伸率均接近或超過了30％。其中鋼管D-Ⅱ的強塑

3、積達到28269MPa·％;鋼管F-Ⅴ的延伸率達到40％，其殘余奧氏體含量也達到了10.26％的較高值。
　　(2)研究了熱處理工藝對TRIP鋼無縫管微觀組織及力學(xué)性能的影響。
　　重點研究了熱處理工藝對鋼管A和B的軸向力學(xué)性能、微觀組織、殘余奧氏體含量及其形態(tài)分布的影響。結(jié)果表明:在一定的臨界退火溫度下，殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)均隨著退火時間的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;在一定的貝氏體等溫淬火溫度下，殘余奧氏體含量均隨等溫淬火

4、時間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，總延伸率以及強塑積也有相似的變化趨勢。
　　(3)利用管端擴口試驗對TRIP鋼無縫管的內(nèi)高壓成形性能進行了研究，分析了錐形工具頂角以及熱處理工藝對擴口極限的影響。
　　重點對化學(xué)成分為B、C和D的鋼管擴口極限進行了研究，分析了錐形工具頂角對鋼管B、C和D擴口極限的影響，以及熱處理工藝對鋼管C和D的擴口極限的影響。結(jié)果表明:各鋼管的擴口極限隨著錐形工具角度的減小而減小;鋼管C和D的管端擴口極限

5、隨著貝氏體區(qū)等溫淬火時間由3min增加到9min，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)?shù)葴卮慊饡r間為6min時，擴口極限均達到最大。
　　(4)提出利用管端擴口試驗確定Oyane韌性斷裂準(zhǔn)則中材料常數(shù)的方法，并利用TRIP鋼無縫管與碳素鋼無縫管兩種不同的材料，對此方法的普遍適用性進行了驗證。
　　首先，分別采用頂角角度為20°、30°和60°的錐形工具中的任意兩個，利用實驗及FEM模擬的手段對管端擴口過程進行研究，得到材料常數(shù)a和b;

6、然后，采用材料常數(shù)a和b，在FEM模擬中預(yù)測利用第三個錐形工具時管材的最大擴口極限與實驗結(jié)果進行對比，驗證此方法的可靠性;最后，利用TRIP鋼管與普通碳素鋼管的管端擴口試驗驗證此方法的普遍適用性。結(jié)果表明，此方法具有較高的準(zhǔn)確性和普遍適用性。
　　(5)設(shè)計開發(fā)出環(huán)形拉伸試驗裝置，根據(jù)試驗裝置特點提出了確定管材周向應(yīng)力、應(yīng)變和塑性應(yīng)變比（r值）的方法，并利用FEM數(shù)值模擬對此方法的可靠性進行驗證。①根據(jù)環(huán)形拉伸試驗的幾何關(guān)系和力學(xué)

7、關(guān)系，得出了拉伸過程中沿管材周向的瞬時應(yīng)力和應(yīng)變。②利用刻在試樣上的應(yīng)變網(wǎng)格計算得到塑性應(yīng)變比（r值）。③利用FEM數(shù)值模擬對環(huán)形拉伸試驗過程進行了仿真，將FEM模擬中輸入的材料真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與根據(jù)模擬結(jié)果利用此方法計算所得出的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進行對比，驗證此方法的可靠性，結(jié)果表明，兩曲線符合較好，此方法準(zhǔn)確可靠。
　　(6)利用環(huán)形拉伸試驗對TRIP鋼無縫管A、B、E和F的周向力學(xué)性能進行了研究，分析了熱處理工藝對各TRI

8、P鋼無縫管周向力學(xué)性能的影響。
　　研究結(jié)果表明，在室溫下拉伸速度為2.5mm/min時，熱處理后各鋼管的周向抗拉強度和屈服強度分別在600MPa和350MPa左右;周向延伸率較高，幾乎所有鋼管的延伸率均接近30％;鋼管E-Ⅵ的強塑積達到19502MPa·％，呈現(xiàn)出良好的強塑性組合。
　　(7)設(shè)計開發(fā)出液壓自由膨脹試驗裝置，提出了利用液壓自由膨脹試驗確定管材等效應(yīng)力-等效應(yīng)變曲線的方法，分析了形變速率以及熱處理工藝對最大內(nèi)

9、壓及最大膨脹高度的影響。
　　分別采用增壓速度為0.2MPa/s與0.5MPa/s，對不同熱處理工藝TRIP鋼無縫管F的液壓自由膨脹性能進行了實驗研究，結(jié)果表明:①過低的變形速率并不利于獲得TRIP鋼無縫管較好的內(nèi)高壓成形性能;②臨界退火工藝一定時，貝氏體區(qū)等溫淬火時間從4min增大到6min，最大內(nèi)壓值呈現(xiàn)下降趨勢;當(dāng)貝氏體區(qū)等溫淬火工藝一定時，最大內(nèi)壓隨著臨界退火時間的延長呈增大趨勢，最大膨脹高度呈減小趨勢。
　　本文所