低合金鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、較好的冷熱加工性以及良好的焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于船舶、壓力容器、橋梁等承受較高載荷的結(jié)構(gòu)件中。低合金鋼在艦艇上的應(yīng)用極其廣泛，例如潛艇的耐壓殼體、艦船的船體結(jié)構(gòu)件和特種裝置等，低合金鋼的應(yīng)用極大減輕了艦艇結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,提高了艦艇的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐腐蝕性和作戰(zhàn)性能。在實(shí)際服役過(guò)程中,多變的海洋環(huán)境、各種復(fù)雜的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作等因素會(huì)使部件產(chǎn)生局部塑性變形，進(jìn)而縮短艦艇的服役壽命。

     目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)塑性變形與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究。楊鋼等對(duì)奧氏體不銹鋼在不同塑性變形處理后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)用不同塑性變形方法獲得試樣的晶粒尺寸及屈服強(qiáng)度具有明顯差異，常規(guī)塑性變形后，試樣的屈服強(qiáng)度隨著晶粒的細(xì)化而不斷增大，而超大塑性變形方法獲得試樣的屈服強(qiáng)度隨著晶粒的細(xì)化而不斷降低。李桂榮等研究了微塑性變形對(duì)TC4合金的組織及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著微塑性變形程度的增加,材料中的位錯(cuò)密度逐漸增大，變形后試樣的彈性模量提高了34.4%。LOU等研究了AZ31鎂合金的動(dòng)態(tài)塑性變形對(duì)其力學(xué)性能的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)隨著動(dòng)態(tài)塑性變形量的增加，材料的屈服強(qiáng)度逐漸增大，時(shí)效熱處理后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯增大，時(shí)效熱處理可以提高動(dòng)態(tài)塑性變形后AZ31鎂合金的強(qiáng)度。BAKHSHI等對(duì)7005鋁合金在大塑性變形處理和時(shí)效熱處理后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)7005鋁合金試樣進(jìn)行大塑性變形處理+自然時(shí)效處理后，試樣的力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)的固溶+人工時(shí)效處理的試樣，大塑性變形處理后試樣的屈服強(qiáng)度可以提高到400MPa以上。目前，關(guān)于塑性變形處理對(duì)艦艇用低合金結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能的影響及損傷機(jī)制的研究較少。因此，研究塑性變形對(duì)艦艇用低合金結(jié)構(gòu)鋼拉伸性能的影響，建立塑性變形與材料拉伸參數(shù)之間的關(guān)系模型，對(duì)于保證低合金結(jié)構(gòu)鋼在艦艇中的安全應(yīng)用具有重要意義。

      研究人員對(duì)10CrNi3MoV型低合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行不同塑性變形處理，并對(duì)變形后不同時(shí)效溫度處理后的材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得塑性變形和時(shí)效熱處理對(duì)材料拉伸性能的影響規(guī)律，隨后建立塑性變形量與材料拉伸參數(shù)之間的關(guān)系模型，為該型低合金結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1、 試驗(yàn)材料及方法

      試驗(yàn)所用材料為10CrNi3MoV 低合金結(jié)構(gòu)鋼，其組織為回火索氏體 (見(jiàn) 圖1)。依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)拉伸試樣進(jìn)行加工，拉伸試樣的尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      依據(jù)GB/T228.1—2021對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力總應(yīng)變和彈性模量。試驗(yàn)速率為0.45mm/min，試驗(yàn)設(shè)備精度為0.5級(jí)，使用精度為0.5級(jí)的引伸計(jì)對(duì)拉伸全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行測(cè)試并記錄，獲得原始試樣的最大力總應(yīng)變。分別對(duì)原始試樣進(jìn)行塑性變形率r為最大力總應(yīng)變的10%，30%，50%，70%，100%的塑性變形預(yù)處理，預(yù)處理速率為0.45mm/min。使用千分尺對(duì)預(yù)變形后試樣的直徑進(jìn)行測(cè)量，隨后對(duì)預(yù)變形后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得不同塑性變形后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。塑性變形率的計(jì)算方法如式(1)所示。

      為了探究時(shí)效溫度對(duì)塑性變形的影響規(guī)律，使用馬弗爐對(duì)30%和70%塑性變形后的試樣分別在400，500，600℃溫度下進(jìn)行24h時(shí)效熱處理，將時(shí)效后的試樣按照上述條件進(jìn)行測(cè)試。使用掃描電子顯微鏡 (SEM)觀察不同塑性變形后試樣的斷口形貌。

2、 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同塑性變形預(yù)處理后試樣的拉伸性能

      不同塑性變形預(yù)處理后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由圖3和表1可知：預(yù)變形過(guò)程中，隨著塑性變形率的增大，再次拉伸時(shí)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變會(huì)表現(xiàn)出較大的差異，即塑性變形對(duì)材料的力學(xué)性能有較大的影響；隨著塑性變形率的增大，材料屈服時(shí)的平臺(tái)應(yīng)力會(huì)逐漸增大，當(dāng)試樣的塑性變形率超過(guò)原始試樣最大力總延伸率的50%時(shí)，試樣的屈服平臺(tái)會(huì)消失；再次拉伸時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性段時(shí)達(dá)到最大值，然后迅速下降，直至試樣發(fā)生斷裂。

      為了探究預(yù)變形處理過(guò)程中塑性變形率對(duì)拉伸過(guò)程中各指標(biāo)的影響規(guī)律，繪制了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力總延伸率、彈性模量與塑性變形率之間的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖4)。由圖4a)，4b)可知：隨著塑性變形率的增大，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)逐漸增大，當(dāng)塑性變形率為10%時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與原始材料之間的差異較小；當(dāng)塑性變形率大于10%時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著塑性變形率的增大而快速增大；當(dāng)塑性變形率大于50%時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度基本相等，因?yàn)樵谒苄宰冃芜^(guò)程中，材料內(nèi)部產(chǎn)生了較大的應(yīng)變硬化，導(dǎo)致材料在拉伸過(guò)程中的均勻塑性變形能力降低；當(dāng)塑性變形率為100%時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，約為675MPa，相比于原始材料試樣屈服強(qiáng)度提高約30%，抗拉強(qiáng)度提高約10%。

     由圖4c)，4d)可知：隨著塑性變形率的增加，材料的斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率均逐漸降低；當(dāng)塑性變形率達(dá)到70%時(shí)，最大力總延伸率約為0.5%，拉伸過(guò)程中材料的均勻塑性變形能力基本消失，此時(shí)試樣的變形主要是由拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的頸縮變形引起；當(dāng)塑性變形率為100%時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率均達(dá)到最小值，分別約為17%和0.5%，比原始材料試樣分別下降38%和94%。

     由圖4e)可知：隨著塑性變形率的增大，材料的彈性模量逐漸減小，當(dāng)塑性變形率為100%時(shí)，彈性模量達(dá)到最小值，約為166GPa，比原始材料降低15%，即較大的塑性變形會(huì)導(dǎo)致材料的彈性模量下降。

     在拉伸過(guò)程中，試樣的直徑會(huì)隨著塑性變形量的增大而不斷減小，因此測(cè)得的應(yīng)力和應(yīng)變小于拉伸過(guò)程中試樣在某一瞬時(shí)的真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變，為了探究塑性變形率對(duì)材料真應(yīng)力及真應(yīng)變的影響規(guī)律，需要對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行修正。試樣在均勻變形階段真應(yīng)力、真應(yīng)變與實(shí)測(cè)應(yīng)力、實(shí)測(cè)應(yīng)變的關(guān)系如式(2)，(3)所示。

      將實(shí)測(cè)應(yīng)力、實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)分別代入式(2)和式(3)，獲得不同塑性變形條件下試樣在均勻變形階段的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：不同塑性變形預(yù)處理后試樣的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線在彈性變形階段的曲線斜率基本相同；隨著塑性變形率的增大，材料的真抗拉強(qiáng)度略有增大；當(dāng)塑性變形率為100%時(shí)，真抗拉強(qiáng)度為690MPa，其增大幅度小于實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度，即塑性變形對(duì)真抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)化效果相對(duì)較弱。

2.2 拉伸參數(shù)與塑性變形關(guān)系模型的建立

     為了定量表征預(yù)變形過(guò)程中的變形量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律，基于應(yīng)變硬化-指數(shù)硬化模型(ESH)，建立塑性變形率與屈服強(qiáng)度的關(guān)系模型，如式(4)所示。

     結(jié)合式(1)和式(4)即可獲得拉伸過(guò)程中的塑性變形率與屈服強(qiáng)度的關(guān)系模型，式中k=0.039，m=0.312。使用該模型對(duì)不同塑性變形條件下的屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況如圖6所示。由圖6可知：使用該模型得出的理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.99，兩者的吻合度較高。因此建立的塑性變形率與屈服強(qiáng)度關(guān)系模型可以對(duì)不同塑性變形條件下材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

     基于ESH模型，建立塑性變形率與屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、均勻延伸率之間的關(guān)系模型，如式(5)和式(6)所示。

      彈性階段：

      塑性階段：

      使用該模型對(duì)不同塑性變形條件下試樣的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：不同塑性變形條件下,使用該模型計(jì)算得出的理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性，因此該模型可以用于對(duì)塑性變形后材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

2.3 時(shí)效熱處理對(duì)塑性變形的影響

      時(shí)效熱處理后試樣的實(shí)測(cè)應(yīng)力-實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線及真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分別如圖8，9所示。由圖8，9可知：試樣在塑性變形預(yù)處理后的再次拉伸過(guò)程中，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上看，材料并未出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，但是經(jīng)過(guò)時(shí)效熱處理后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的屈服平臺(tái)較為明顯，即時(shí)效熱處理可以有效消除因冷變形引起的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，從而提高材料的塑性變形能力。

      時(shí)效熱處理后試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。為了探究時(shí)效熱處理對(duì)拉伸過(guò)程中各指標(biāo)的影響規(guī)律，繪制屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率與時(shí)效熱處理溫度之間的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖10所示。由圖10和表2可知：當(dāng)塑性變形率為30%時(shí)，隨著時(shí)效溫度的升高，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì)，試樣的斷后伸長(zhǎng)率呈先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)時(shí)效溫度為400℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為595MPa和636MPa，相比于未進(jìn)行時(shí)效熱處理的試樣分別提高了3.5%和3.3%；當(dāng)時(shí)效溫度為600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小值，分別為495MPa和585MPa，相比于未進(jìn)行時(shí)效熱處理的試樣分別下降了14%和5%；當(dāng)塑性變形率為70%時(shí)，隨著時(shí)效溫度的升高，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度整體呈逐漸減小的趨勢(shì)，時(shí)效溫度為600℃時(shí)達(dá)到最小值，分別為501MPa和582MPa，相比于未進(jìn)行時(shí)效熱處理的試樣分別下降了23%和11%；試樣的斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率隨著時(shí)效溫度的升高而逐漸增大，600℃時(shí)達(dá)到最大值，分別由最初的19.0%和0.5%增大至25.5%和11.5%。因此時(shí)效熱處理可以消除因塑性變形而產(chǎn)生的塑性降低現(xiàn)象。

2.4 試樣斷口形貌

     不同塑性變形處理后試樣斷口SEM形貌如圖11所示。由圖11可知：不同塑性變形處理后試樣斷口均具有纖維區(qū)、輻射區(qū)和剪切唇區(qū)3個(gè)典型區(qū)域，且試樣的斷口存在大量韌窩，因此試樣的斷裂形式均為韌性斷裂；在纖維區(qū)的邊緣存在較多裂紋，因?yàn)樵诶爝^(guò)程中，最大主應(yīng)力位于試樣的中心區(qū)域，該區(qū)域的微缺陷處率先產(chǎn)生微孔；隨著應(yīng)力的不斷增大，微孔在中心區(qū)域長(zhǎng)大聚合形成微裂紋，在力的作用下裂紋沿垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展，使試樣的中心區(qū)域率先斷裂，形成纖維區(qū)；裂紋由纖維區(qū)向試樣表面擴(kuò)展，形成輻射區(qū)，裂紋到達(dá)試樣表面時(shí)迅速擴(kuò)展，直至剪切斷開(kāi)，形成剪切唇；隨著塑性變形率的增大，纖維區(qū)產(chǎn)生的裂紋尺寸先增大后減小，當(dāng)塑性變形率為30%時(shí)，裂紋尺寸達(dá)到最大值，當(dāng)塑性變形率超過(guò)70%時(shí)，試樣的斷口區(qū)域不再產(chǎn)生裂紋。

3、 結(jié)論

      (1)隨著塑性變形率的增大，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸增大，斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率逐漸減小。當(dāng)塑性變形率大于50%時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度基本相等，拉伸過(guò)程中材料的均勻塑性變形能力基本消失，此時(shí)試樣的變形主要是由拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的頸縮變形引起。當(dāng)塑性變形率為100%時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，約為675MPa，相比原始試樣的屈服強(qiáng)度提高約30%，抗拉強(qiáng)度提高約10%，斷后伸長(zhǎng)率和最大力總延伸率分別約為17%和0.5%，比原始試樣分別下降38%和94%。

     (2)基于ESH模型，建立了塑性變形率與材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力總延伸率之間的關(guān)系模型，使用該模型對(duì)不同塑性變形條件下材料的屈服強(qiáng)度及真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行計(jì)算，理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性，該模型可用于預(yù)測(cè)不同塑性變形后材料的拉伸性能。

      (3)隨著時(shí)效溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，400℃時(shí)達(dá)到最大值，材料的最大力總延伸率隨著時(shí)效溫度的升高不斷增大，即時(shí)效熱處理可以消除因冷變形引起的應(yīng)變硬化，提高材料的塑性變形能力。

     (4)隨著塑性變形率的增大，纖維區(qū)產(chǎn)生的裂紋尺寸先增大后減小。當(dāng)塑性變形率為30%時(shí)，裂紋尺寸達(dá)到最大值。當(dāng)塑性變形率超過(guò)70%時(shí)，試樣斷口區(qū)域不再產(chǎn)生裂紋。不同塑性變形后試樣的斷口均存在大量韌窩，斷裂形式均為韌性斷裂。

作者：趙如濤1，高琛1，杜卓同1，張欣耀1，2，吳鳳燁1，王迎輝1，宋朝暉1

單位：1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所；

2.河南省船舶及海工裝備結(jié)構(gòu)材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第5期