应变率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢拉伸性能的影响

张洪军，姚 琳，李 宁

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

应变率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢拉伸性能的影响

张洪军，姚 琳，李 宁

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

采用万能材料试验机和旋转盘冲击拉伸装置对05Cr17Ni4Cu4Nb钢进行了不同应变率的拉伸实验研究，获得了05Cr17Ni4Cu4Nb钢沿轧制方向和垂直于轧制方向在应变率为10-2/s～103/s范围内的应力应变曲线，分析了应变率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢屈服应力的影响规律。结果表明，05Cr17Ni4Cu4Nb钢在两个方向的弹性模量和拉伸强度几乎相当，但沿轧制方向的断裂强度和断裂延伸率较高，05Cr17Ni4Cu4Nb钢沿轧制方向和垂直于轧制方向的屈服应力均随应变率升高而增大，但变化趋势不同。根据实验结果，拟合得到了05Cr17Ni4Cu4Nb钢不同方向屈服应力与应变率变化关系的方程。

05Cr17Ni4Cu4Nb钢； 应变率； 屈服应力； 拉伸性能

1 引 言

05Cr17Ni4Cu4Nb钢是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，是在Cr17型不锈钢基础上，加入铜、铌等强化元素研制而成的新型不锈钢材料。该材料具有良好的强度、塑性、耐腐蚀性和可焊接性，特别是具有较好的抗氢氟酸腐蚀能力[1]，是我国300～1000MW 超临界火电机组及核电机组汽轮机低压末级动叶片的主要用材之一，也被广泛地应用于反应堆中重要的结构件，如反应堆中的控制棒驱动机构(CRDM)上的丝杠。已有文献对其氧化变色、残余奥氏体的影响、焊接疲劳性能等进行了深入研究。认为05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢对真空时效气氛比较敏感，氧化变色主要与材料的高铬含量有关[2]，最终时效后奥氏体含量随温度的升高先增加后减少，部分逆变奥氏体随着残余奥氏体转变为马氏体[3]；通过四点弯曲疲劳试验证明，采用优化的焊接、热处理工艺，05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢焊接接头的条件疲劳极限可以达到母材的90%以上[4-5]；焊接后的热处理工艺对焊接接头的组织和性能有较大影响，经过重新固溶、时效处理，焊接接头的强度和缺口冲击韧性都比较高[6]；文献[7]采用热模拟机对该材料的高温变形行为进行了研究，认为随变形温度的降低和应变率的增加，其动态重结晶晶粒尺寸变小，但其最高应变率范围仅为10/s。闫英杰等对不同温度下的高强度钢进行了拉伸断裂试验，结果显示在三个方向上的宏观力学性能参数基本相同，但沿不同方向的拉伸断口差异较大[8]。索涛等利用INSTRON试验机和分离式Hopkinson压杆测试了某材料的两种准静态应变率(10-3，10-1/s)和一种动态应变率(550/s)下的压缩力学行为[9]。张俊平等通过拉伸试验对温度及应变速率对TWIP钢拉伸性能的影响做了研究[10]。何著采用分离式Hopkinson压杆对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢进行不同应变率的压缩实验研究，分析该材料工程应力应变曲线与真应力应变曲线参数的差异性[11]。

由于这些重要部件在全寿命过程中，可能受到拉伸冲击载荷，因此有必要对05Cr17Ni4Cu4Nb材料的动态拉伸力学行为进行研究。本文利用万能材料试验机和旋转盘冲击拉伸装置，在室温条件下对该材料进行了不同应变率的实验研究，获得了不同应变率下05Cr17Ni4Cu4Nb材料的应力应变曲线，分析了应变率对其流动应力的影响。

2 实 验

2.1 实验材料

实验材料采用由西安核设备有限公司提供的厚度为20mm的板材，化学成分见表1。该材料经1030℃固溶热处理1.5h后，经615℃时效处理4h，处理后材料硬度(HRC)为35.0。分别沿轧制方向(横向)和沿垂直于轧制方向(纵向)进行取样，按图1尺寸加工为动态拉伸和准静态拉伸试样。

表1 05Cr17Ni4Cu4Nb钢的化学成分

图1 试样尺寸:(左)动态拉伸试样; (右)准静态拉伸试样Fig.1 Specimen of dynamic tensile(left) and quais-static tensile(righ) experiment

图2 旋转盘冲击拉伸实验装置示意图Fig.2 Revolver impact tensile Hopkinson experiment set

2.2 实验装置及设备

动态拉伸试验采用导杆为直径14mm的旋转盘冲击拉伸加载装置，如图2所示。应变、应变率和应力可从波导杆上应变片记录的信号求得；准静态试验在MTS810疲劳试验机上进行，在小变形阶段采用引伸计测量变形，变形达到引伸计量程时，改用试验机横量位移测量变形，最终的断裂应变在实验结束后测量试样标距的变化值进行计算。

2.3 实验数据处理

在动态拉伸实验中，按式(1)～(3)计算出05Cr17Ni4Cu4Nb材料在动态拉伸下的应力、应变和应变率。准静态拉伸实验由试验机可直接获得应力应变曲线。最后按体积不变方法将工程应力应变转化为真应力-真应变曲线。

根据Hopkinson杆实验的均匀性假设，05Cr17Ni4Cu4Nb材料的应力、应变和应变率分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：ls是试样的长度；As是试样的横截面积；A是波导杆的横截面积；C0是波导杆的弹性纵波速度；E是波导杆的弹性模量；εi、εr和εt分别为从波导杆记录到的入射脉冲、反射脉冲和透射脉冲。

3 实验结果与分析

3.1 不同应变率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢组织结构的影响分析

图3是拉伸实验后试样的照片，从图可以看出，静态试样为延性断裂，有明显的缩颈特征，而动态拉伸试样在应变率较低时不会被拉断，在应变率较高时为延性拉断，有明显的缩颈现象出现。

图3 拉伸实验后的试样照片Fig.3 Schematic representation of fracture features

为了进一步分析应变率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢组织结构的影响，对拉伸断裂试样进行了SEM观察和金相组织分析，结果见图4和图5。

图4 拉伸试样断口SEM形貌Fig.4 schematic representation of fracture features

图4是05Cr17Ni4Cu4Nb钢横向和纵向在室温条件下静态拉伸和动态拉伸试样断口的SEM图像。图中A、B分别为横向和纵向试样静态拉伸的SEM图像，DA和DB分别为横向和纵向试样动态拉伸的SEM图像。可以看出：无论是横向还是纵向，宏观形貌呈纤维状，粗糙不平，颜色灰暗无结晶颗粒、无金属光泽；微观形态呈蜂窝状。由于材料中有第二相粒子的存在，拉伸过程中在应力的作用下有微孔形成。微孔聚集则形成微裂纹，使得应力集中加剧，进一步加速了微孔的开裂与长大以及微裂纹扩展连接。裂纹的扩展吸收了大量的塑性功，形成暗灰色的平坦断口。这种多晶材料的断裂是通过空洞核的形成、长大和相互连接的过程进行的，应变率对断口形貌无明显影响。

图5A为未拉伸试样的原始组织，晶界比较清晰，上面分布着大量的白色析出物。晶粒内部隐约可见典型的板条状马氏体组织特征形貌。不同的晶粒内部，马氏体板条的方向也不全相同。残余奥氏体和碳化物在晶粒内部则分别以条状和弥散状颗粒分布。图5B和图5C分别为05Cr17Ni4Cu4Nb钢横向和纵向试样在静态拉伸断裂后的金相组织，沿横向取样的05Cr17Ni4Cu4Nb钢在静态拉伸时晶粒变形严重，晶粒沿拉伸方向被拉长，晶界滑移明显；而沿纵向取样的05Cr17Ni4Cu4Nb钢在静态拉伸时，部分晶粒破裂，晶粒无明显拉长现象。但在高应变率拉伸条件下，断裂试样的金相组织差别较大：沿横向的试样，在高应变率拉伸条件下，其金相组织不仅被拉长、沿晶界滑移，而且部分晶粒被拉断，见图5D；沿纵向的试样，在高应变率拉伸条件下，大部分晶粒被拉断，沿晶界的滑移不明显，其断裂以沿晶粒断裂和晶界破坏为主，见图5E。

图5 05Cr17Ni4Cu4Nb钢拉伸前后的金相组织
Fig.5 Microstructure of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel under different strain rates and direction

室温条件下05Cr17Ni4Cu4Nb钢的基本材料参数见表2，应力应变曲线见图6、图7所示。

表2 05Cr17Ni4Cu4Nb钢的基本力学参数

图6 横向05Cr17Ni4Cu4Nb钢不同应变率下的应力应变曲线Fig.6 Stress-strain response of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel with the increase of strain rate (rolling direction)

图7 纵向05Cr17Ni4Cu4Nb钢不同应变率下的应力应变曲线Fig.7 Stress-strain response of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel with the increase of strain rate (vertical rolling direction)

由表2可以看出，轧制方向对05Cr17Ni4Cu4Nb钢的弹性模量和拉伸强度几乎没有影响，对断裂强度和断裂延伸率有一定的影响，沿轧制方向的断裂强度和断裂延伸率有所增加。应变率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢拉伸性能有显著影响，无论是横向还是纵向，随应变率增加，屈服应力增加，但两者变化趋势存在差异，可能是横向和纵向05Cr17Ni4Cu4Nb钢内部组织结构不同所致。为了进一步分析应变率对材料屈服应力的影响规律，从应力应变曲线上提取不同应变率条件下的屈服应力值进行作图，得到05Cr17Ni4Cu4Nb钢横向和纵向屈服应力与对数应变率的关系，见图8。显然屈服应力与对数应变率是非线性变化关系，根据曲线进行拟合，可以得到不同方向上屈服应力与对数应变率之间关系的方程(4)。利用方程(4)可以预测其它应变率条件下05Cr17Ni4Cu4Nb钢的屈服应力。

图8 屈服应力随对数应变率的变化关系曲线Fig.8 Yield stress of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel with the increase of logarithm strain rate

(4)

4 结 论

通过对05Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢板材不同方向准静态和动态拉伸性能实验研究，可以得到以下结论：

1.05Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢材料在横向和纵向的弹性模量和拉伸强度基本一致，但横向断裂强度和断裂延伸率高于纵向。

2.应变率对05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料的拉伸性能有显著影响，随应变率的增大，其屈服强度增加，动态屈服强度值明显高于准静态的值。

3.室温条件下，05Cr17Ni4Cu4Nb钢的屈服强度随对数应变率的变化规律可以用指数函数的多项式形式进行描述。

4.05Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢材料的断裂是通过空洞核的形成、长大和相互连接的过程进行的，应变率对断口形貌无明显影响。

5.应变率对横向和纵向05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料拉伸断裂的金相组织影响不同，在低应变率条件下，横向试样的断裂模式主要是晶界滑移和晶粒拉伸为主，纵向试样的断裂模式以晶粒破坏为主；在高应

变率条件下，横向试样的断裂模式主要是晶界滑移和晶粒拉伸为主，伴随部分晶粒断裂，而纵向试样的断裂模式主要是晶界破坏和晶粒断裂。

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Effect of Strain Rate on Tensile Property of 05Cr17Ni4Cu4Nb Steel

ZHANG Hongjun， YAO Lin， LI Ning

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840, China)

Uniaxial Tension Experimental study for 05Cr17Ni4Cu4Nb steel at strain rates from 10-2to 103/s by the method of MTS810 testing machine and the rotation disc impact tensile device were performed. The tensile stress-strain curves of 05Cr17Ni4Cu4Nb steel along rolling direction and vertical to the rolling direction at different strain rates were obtained. Then, the effect of strain rate on the yield stress of the 05Cr17Ni4Cu4Nb steel is analyzed. The elastic modulus and tensile strength are equivalent in both directions, but the fracture strength as well as elongation after fractured is higher along rolling direction than that of the vertical one. Yield stress of 05Cr17Ni4Cu4Nb is found to increase with increasing strain rate at both directions. Using polynomial model with exponential function of logarithm strain, the yield stress depending on strain rate at two directions are fitted, and good agreement with experimental observations is found.

05Cr17Ni4Cu4Nb steel； strain rate； yield stress； tensile property

1673-2812(2017)01-0047-05

2015-09-25；

2016-02-25

国家科技重大专项 资助项目(2011ZX06903-003)

张洪军，高级工程师，主要从事核燃料运输容器相关研究。E-mail：zhanghj@cnpe.cc。

TG142.71

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.010