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ISIJInternational，第.48卷(2008),第11期动态应变时效对含Mo和Nb结构钢高温力学性能的影响WelbertRibeiroCALADO,CynthiaSerraBatistaCASTRO等摘要：动态应变时效（DSA）对Mo和Nb微合金化结构钢高温强度的影响通过在25-600°C温度和应变速率10_4～10_1s_1范围进行的抗拉试验加以研究。该钢种呈现铁素体+珠光体组织。DSA在Mo和Nb微合金化结构钢上的表现不比从低碳钢观察到的更强烈，并且是在更高温度发生的。此钢种的二次析出现象也得到研究。经过100到600°C热处理的试样硬度在400°C时呈现最大值。在此温度处理的试样和在600°C检验的抗拉强度比未经处理试样表现出更高的屈服强度，说明二次析出并未对其高温强度起到作用。此处得到的结果表明，结构钢中的DSA可能是对其耐火性能起作用的重要机理。与应力-应变曲线上的锯齿形状以及抗拉强度随温度或曲线锯齿形消失而变化的最大值有关的经验活化能说明，该钢种DSA有关的高温强化作用是填隙置换溶质偶极子和位错的动态交互作用结果。关键词：动态应变时效；Portevin-LeChatelier效应；耐火钢；结构钢1.序言由于填隙置换溶质偶极子和位错的动态交互作用原因，在采用Mo，Mn和Cr合金化或Nb，Ti和V微合金化的钢中，动态应变时效有关的高温强度已经归因于已知为交互固溶硬化的现象-ISSH。ISSH的作用取代了DSA对比普碳钢显示更高温度的表现。同时，在这些钢中，DSA发生在100℃到400℃的温度范围和10-4到10-1s-1的应变速率，在合金钢中，考虑相同应变速率，该温度范围可以提高到200℃到600℃，因此，ISSH对这些钢的抗蠕变性能有重要作用1-3）。具有耐火性能的结构钢必须使其600℃时的屈服强度为室温时规定屈服强度值的67%。这些钢是低碳钢，一般成分中含有Mn、Mo、Cr、Hb、Ti或V。在其它机理中，固溶和析出硬化已经被认为是对耐火性能4，5）负责的重要因素。DSA对钢蠕变性能的影响表明，该现象可以加强结构钢的高温强度。目前的工作旨在将Mo和Nb合金化结构钢的动态应变时效敏感性特性化。主要的目的是明确DSA对高温强度的影响。2，实验此处研究的钢种，化学成分见表1，为12.7mm厚度热轧钢板。使用光学扫描电子显微镜法进行的钢显微组织（SEM）的特性化分析。从钢板横向截面制取、机械抛光并用硝酸乙醇腐蚀液酸蚀试样的SEM图像经过检测，以确定现有相的体积分量。直径2.5mm、标距27.0mm的拉伸试样从钢板机加工而成，其轴线和轧制方向一致。拉伸试验在伺服液压MTS试验机上进行，试验温度从25到600℃，应变速率为10-4，10-3，ISIJInternational，第.48卷(2008),第11期3.5*10-3，10-2和10-1s-1。试验前试样在该温度范围保持5分钟。使用的加热系统在试验中将温度保持足够稳定，整个试样的温度波动不超过+/-2℃，沿试样长度方向的温度梯度变化可以忽略不计。屈服强度值σy，极限抗拉强度σt，和总延伸率et值，都是经过在相同条件下进行的至少三次拉伸试验的平均值确定的。应力和延伸率值的相对误差低于3%。维氏硬度试样在钢板横向截面制取，在100到400℃进行30分钟的热处理。使用了50kgf的负荷。表1.钢的化学成分（质量%）CMnMoCrSiPSNbAlN0.0920.800.190.101.210.0380.00450.0200.0180.00523.结果和讨论显微组织检测显示该钢种由铁素体和珠光体组成。体积分量和铁素体晶粒度示于表2。以若干温度和应变速率10-4和10-1s-1试验的结构钢应力-应变曲线示于图1。波特温勒夏忒列效应（PLC）对应于两个应变速率在80到275℃和175到375℃的温度范围分别出现。对于以三个其它应变速率进行的试验观察到相同的锯齿状曲线。观察到在锯齿状曲线开始（onset）和结束（offset）处的温度随着应变速率的增加而提高，但是锯齿程度随着应变速率的降低而降低。图1（a）也显示加工硬化速率随着150到350℃之间的温度而增加。对于此处所用的五个应变速率，600℃的屈服强度σy值比325MPa级别商业钢材的高67%，如耐火性能结构钢规范所要求。对于有关的五个应变速率中的四个，屈服强度σy和抗拉强度σt随温度的变化如图2所示。该钢种的曲线显示σt的最大值发生在应变速率随温度的增加而增加的时候，见表3。这些最大值的幅度随着应变速率的提高而降低。σy曲线在温度范围上显示有个高台，在此处观察到有关五个应变速率的σt最大值。对于研究的五个应变速率中的四个，总延伸率еt随实验温度的变化示于图3。对于五个应变速率，еt随着温度的升高而降低，在110到270℃的温度范围内显示一个最小值，然后随着温度的升高而提高。延伸率显示最小和最大值时的温度随着应变速率的增加而提高，见表3。抗拉强度和延伸率与温度关系曲线上最大和最小值的PLC效应的产生、屈服应力与温度关系曲线上高台的出现以及加工硬化速率随温度提高而增高现象的出现，完全表示此种结构钢在所研究温度和应变速率时有关DSA现象的表现与在低碳钢6，7）上发现的类似。但是，这ISIJInternational，第.48卷(2008),第11期些观察现象发生在比低碳钢更高温度和更低强度的情况。对于一个特定的应变速率，σt最大强度可以定义为最大值（σtmax）和σt最小值（σtmin）的差值。对于10-1s-1的应变速率，在Mo和Nb微合金化结构钢出现σt最大值的温度约是350℃，σtmax－σtmin的值约为80MPa。在含有10ppm和20ppm固溶体的低碳钢中，对于相同应变速率，σtmax发生在约280℃，σtmax－σtmin分别为120和180MPa8）。考虑到加工处理条件，含有总氮量0.0052%的钢中溶解氮量大概不小于10ppm。已经报道了Nb和/或V微合金化处理钢中更少的DSA现象3，9）。表2铁素体加珠光体体积分量（fv）和铁素体晶粒度（GS）fv铁素体（%）fv珠光体（%）GS（μm）81+/-219.0+/-0.26.7+/-0.3图1在各个温度以10-4s-1和10-1s-1应变速率检验试样的应力-应变。PLCOnT：Portevin-LeChatelier开始温度，PLCOffT：Portevin-LeChatelier结束温度ISIJInternational，第.48卷(2008),第11期图2以4个应变速率研究的结构钢屈服强度和抗拉强度随温度的变化表3.最小延伸率和最大抗拉强度温度随应变速率的变化应变速率（s-1）最小应变速率温度（℃）最大屈服强度温度（℃）10-426037510-223035010-320030010-4110275图3以4个应变速率研究的结构钢延伸率随温度的变化根据文献资料10,11），和低碳钢中产生PLC效应有关的最小绝对温度T和应变速率ε有关，公式：ISIJInternational，第.48卷(2008),第11期其中，B是常数，ρm是可动位错密度，ι是位错在可穿透障碍物（penetrableobstacles）之间的行走平均距离，b是伯格斯矢量，R是通用气体常数，Q是过程的活化能。假定Bρmbl在T变化时保持不变，显活化能值Q即能够根据曲线确定。通常为此显活化能建立的值是对位错锁定负责的填隙原子N和C扩散用活化能的幂8，10）。与最大σt对应温度一致的PLC效应结束时绝对温度也通过和公式（1）类似表达式与应变速率关联。在此情况（Q’）建立的Q值已经和对位错锁定负责的填隙原子扩散活化能和填隙位错结合能的总和关联。此关联基于假设，即在此阶段，位错移动拖动其溶质气团10）。图4.在影响PLC效应开始（onset）和抗拉强度最大值或PLC效应结束（offset）情况下的低碳钢中锯齿流开始的活化能报道值在79.5到84.1kJ/mol10，11），并且分别接近铁素体中N和C扩散需要的活化能，76.1到84.1kJ/mol12）。与锯齿流消失有关的活化能典型值是127.610）到134.kJ/mol，11）。，而那些与抗拉强度有段的活化能值是127.6到156.1kJ/mol，8，10）。与PLC效应结束和σt最大值出现有关的活化能更低值已经归结于氮原子造成的位错锁定，而更高值已经归结于碳原子导致的位错锁定。这些活化能确定的中间值反应了C和N的综合作用。因此，考虑到这些活化能的最小值，N原子的结合能可以使用这些活化能最大值测算。在N情况下，结合能应该是127.6kJ/mol-79.5kJ/mol，等于48.1kJ/mol(0.5eV)。对于C原子，结合能是156.1kJ/mol-84.1kJ/mol，等于72.0kJ/mol(0.75eV)。这些值都和ISIJInternational，第.48卷(2008),第11期N原子情况下以及C原子情况下铁素体中传统溶质-位错结合能完全吻合（N原子：0,47eV13）,C原子：0.75eV14)）。在本研究中，锯齿流，σt最大值和et最小值表示DSA发生了。因此可以如以前介绍的那样为这些过程估算显活化能。图4显示了PLC效应开始和σt最大值的曲线，以及根据这些曲线坡度获得的分别为97+/-4kJ/mol(Q)和203+/-1kJ/mol（Q’）的值。这些值的第一个比铁素体固溶体中N和C原子扩散有关的活化能高许多，高79.5到84.1kJ/mol。σt最大值比为PLC效应结束在低碳钢中确定的活化能高，σt最大值发生时的活化能是127.6到156.1kJ/mol。这些结果说明此结构钢中确定的动态应变时效效应受到某些不同于作用于普碳钢的机理所控制。如已经提到的，在含Mn，Mo，Cr，Ti和Nb钢中，填隙N和C原子和与较宽温度范围的位错强烈相互影响的替代形成填隙-置换偶极子，相互作用固溶硬化作用ISSH1，2）有着密切的关系。如果填隙和位错之间的相互作用能比填隙和替代之间的相互作用能高，则额外的高温强化将是由于位错气氛活动性降低原因与N和C有关的高温动态应变时效位错所引起2）。因为此处考虑的钢种显示了比低碳钢中所发现更高温度范围的DSA表现1-3），除了沉积硬化和固溶硬化之外，看起来ISSH对动态应变时效的应变要归功于耐高温性能15）。PLC效应开始和σt最大值发生的活化能值差是203kJ/mol-97kJ/mol=106kJ/mol，分别比N位错和C位错结合能值高047和0.75eV13，14），表示该钢种中的DSA与移动性由于填隙-置换相互作用而降低的N和C原子气氛导致的位错锁定有关，如同所讨论的Mn对Nb微合金钢中N和C原因所致应变时效的影响3）。图5显示热处理试样硬度随温度的变化。400℃时观察到的最大硬度或许与Mo碳化物的二次析出有关。根据Lenk等人的文章16），Mo2C的析出对钢的耐高温性能起很大的作用。表4中的分析表明，二次析出在25℃时对屈服强度的影响很小。在其它方面，在600℃时对屈服强度也没有影响。在如此高的温度，在400℃析出的碳化物由于奥斯特瓦尔特熟化原因对保持耐高温性能没有效果。4.结果（1）本研究涉及结构钢表现出与低碳钢类似的DSA现象。但是，DSA是发生在比低碳钢更高的温度和更小的强度。（2）与PLC效应开始有关的显活化能值97kJ/mol和极限抗拉强度与温度关系曲线上的最大值203kJ/mol表示，在此结构钢中，控制DSA位错气氛的活动性受到例如Mn，Cr，Mo和Nb之类置换溶质的影响。ISIJInternational，第.48卷(2008),第11期（3）此处所研究钢中表现的ISSH效应通过DSA现象对钢的耐火性能有贡献，并且以同样的方式对耐热钢的抗蠕变性能有所贡献。（4）此处研究结构钢中的二次析出不对其耐火性能起作用。（5）此处研究的含Mo和Nb结构钢在600℃屈服强度为室温规定值的67%，因此是耐火钢。