高強度鋼熱變形行為研究范文

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《塑性工程學報》2016年第二期

摘要：

利用Gleeble－3800熱模擬試驗機，在溫度850℃～1150℃及應變速率0．001s－1～10s－1下進行熱壓縮試驗，研究了AF1410高強鋼的熱變形行為。考慮摩擦、溫度升高的影響，修正了AF1410鋼的實測流變應力，修正后的流變應力低于對應的測量值。隨著應變速率增加及變形溫度降低，摩擦對流變應力的影響逐漸增大；溫度升高對流變應力的影響在高應變、低變形溫度時較為明顯?；谛拚蟮牧髯兦€，通過線性回歸確定了變形過程中的熱激活能Q＝366．89kJ•mol－1，建立了AF1410鋼的本構方程。

關鍵詞：

AF1410高強鋼；熱變形；流變應力；本構方程

AF1410鋼是一種二次硬化的超高強度合金鋼，不僅具有高強度、高斷裂韌性，且具有優良的焊接性能和切削成形性能，常用于飛機的重要結構件［1］。AF1410鋼以強韌的低碳馬氏體為基體，其高強度來自高位錯密度的板條馬氏體和在回火過程中析出細小彌散的共格M2C碳化物產生的二次硬化［2］。AF1410鋼微觀組織和力學性能的聯系和影響機理是學者們關注的主要問題。廉學魁等［3］研究了加熱過程中AF1410鋼奧氏體晶粒的長大行為，并建立了奧氏體晶粒長大數學模型。李能等［4］研究了3種不同焊后熱處理狀態下AF1410鋼電子束焊接接頭的組織及力學性能。韓順等［5］針對AF1410鋼的旋轉彎曲疲勞破壞行為進行了大量研究。變形溫度、應變速率等與應力的關系是研究與分析復雜航空模鍛件成形制造工藝的重要依據［6－7］。盡管已有學者［8］研究了AF1410鋼的流變應力等問題，但若要獲得較為準確的模型，需要對試驗過程中摩擦、變形熱等因素加以考慮。本文在熱壓縮試驗數據的基礎上，通過量化處理試驗過程中摩擦、變形熱的影響，以期獲得較為準確的流變應力，為AF1410鋼航空模鍛件的工藝制定提供支撐。

1試驗材料及方法

試驗材料由中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司提供，主要合金元素成分（wt％）為：C0．180，Mn0．010，Si0．030，Cr2．000，Ni10．440，Co13．740，Mo1．020。在Gleeble－3800熱／力模擬試驗機上進行熱壓縮試驗，試樣尺寸為Φ10mm×15mm。在試樣兩端涂抹高溫潤滑劑并粘貼坦片以減小變形過程中試樣與壓頭之間的摩擦，保證變形的均勻性和穩定性。具體試驗步驟為，以10℃•s－1的加熱速度加熱到1150℃，保溫120s；然后以10℃•s－1的冷卻速度冷卻到不同的變形溫度（850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃），均熱30s后進行壓縮變形；壓縮時應變速率分別取為0．001s－1、0．01s－1、0．1s－1、1s－1、10s－1，壓縮量為60％；試樣變形結束后立即水淬冷卻。

2流變應力修正

2．1摩擦修正在試驗過程中，為減小試樣與壓頭間的摩擦已采取了一些措施。但隨著變形程度的增加，摩擦影響越來越顯著，導致試樣變形不均勻程度增大。因此，由試驗獲得的流變曲線應考慮摩擦的影響。當1＜鼓形系數B≤1．1時，流變應力的測量值與真實值相差較小，測量值可以不進行修正；而當鼓形系數B＞1．1時，流變應力的測量值與真實值相差較大，應考慮對其進行修正。表1是各變形條件下變形后各試樣的鼓形系數B值。從表中可以看出，所有鼓形系數B＞1．1，即試驗過程中摩擦的影響較大，需要對試驗數據進行修正。圖1所示為考慮了摩擦影響的AF1410流變應力修正曲線，圖中給出了真應變0．9時的實測值與摩擦修正后的應力差值。由圖可見，流變應力的測量值大于對應的修正值，且隨著變形程度的增大，兩者間的差值增大。同時，從圖中流變應力的實測值與修正值的最大差值可以看出，應變速率降低、變形溫度升高，會降低摩擦對流變應力的影響。

2．2溫度修正金屬在高溫下變形時會發生軟化行為，尤其是組織中產生動態再結晶后，隨著應變的增大會出現應力下降的現象。但若試驗過程中變形熱無法及時消散，將導致實際變形溫度大于設定溫度，此狀態下得到的實驗曲線應進行修正。當應變速率ε≤0．001s－1時，由于變形熱產生量較小，且在該條件下傳導消散，壓縮試驗可視為實際變形溫度與設定溫度相同。而應變速率較大時，變形熱較大，且來不及消散，實際試樣的溫度將大于設定溫度，則由壓縮試驗測得的流變應力曲線應給予修正。圖2所示為不同變形條件下試樣溫度變化的最大值。由圖可知，應變速率對試樣溫升的影響較大，應變速率越大，試樣溫升越高；同時，隨著變形溫度的增加，變形過程中試樣溫升減小。圖中變形溫度850℃、應變速率10s－1，試樣在應變0．9時溫度升高46℃?？紤]到試驗過程中實際變形溫度的變化，在摩擦修正的基礎上進一步對流變應力曲線進行修正，采用插值多項式進行插值計算，根據應力與溫度關系的擬合公式，外推計算出預設變形溫度時的應力值，以完成流變應力的修正。圖3所示為考慮溫度、摩擦修正后與僅考慮摩擦修正后AF1410流變應力曲線的對比，圖中“850℃～10s－1”表示該曲線的變形參數為變形溫度850℃，應變速率10s－1，下同。由圖可見，低應變速率（0．01s－1、0．1s－1）時，考慮溫度與摩擦修正與僅考慮摩擦修正的曲線差值較??；而高應變速率（1s－1、10s－1）時，曲線差值較大，尤其是低變形溫度時。相同應變速率時，曲線差值隨變形溫度的降低而升高。在應變0．9時，預設變形溫度850℃、應變速率10s－1的流變應力差值達到25MPa。

2．3修正后流變應力分析圖4所示為不同變形溫度和應變速率下AF1410鋼修正后的流變應力曲線與實測曲線的對比，由圖可見，相同變形條件及應變量下，溫度、摩擦修正后的流變應力一般都小于實測值，也就是說本試驗條件下摩擦對流變應力的影響要大于試樣溫升對流變應力的影響。對于某些變形條件下可較容易從曲線上判別軟化機制的類型。例如，變形溫度為1000℃、應變速率為10s－1時，試驗曲線只可推斷出發生了動態回復，但是從溫度、摩擦修正后的曲線可較容易推斷動態再結晶機制的發生。

3本構方程的建立

材料在高溫熱變形過程中，其流變應力主要受到變形溫度T、應變速率ε和應變ε影響。應變速率ε、變形溫度T和流變應力σ間的關系可由Ar－rhenius方程描述，亦可用含有Zener－Hollomon參數（Z）的指數方程表征。

4結論

本文在變形溫度850℃～1150℃、應變速率0．001s－1～10s－1的試驗條件下，對AF1410鋼進行了等溫壓縮試驗。1）考慮摩擦、溫度升高的影響，修正了AF1410鋼的實測流變應力。摩擦修正后的流變應力低于對應的測量值，隨著應變速率增加及變形溫度降低，摩擦對流變應力的影響逐漸增大。試驗中溫度升高對流變應力的影響在高應變速率、低變形溫度時較為明顯。2）采用修正后的流變應力推算出AF1410鋼的熱變形激活能Q＝366．89kJ•mol－1，其熱變形本構方程可由式（12）、式（13）表示。

參考文獻

［1］宋戈，李劍峰，孫杰等．AF1410超高強度鋼硬質合金加工刀具的磨損機理［J］．粉末冶金材料科學與工程，2010．15（6）：567－573

［2］張國棟，袁鴻，王金雪等．焊后熱處理對AF1410鋼電子束焊接接頭組織及性能的影響［J］．熱加工工藝，2015．44（13）：205－207

［3］廉學魁，厲勇，劉憲民等．二次硬化超高強度鋼AF1410奧氏體晶粒長大行為［J］．特殊鋼，2010．31（5）：61－63

［4］李能，李洪林，郭紹慶等．二次補焊對AF1410鋼氬弧焊接接頭性能的影響［J］．熱加工工藝，2012．41（13）：197－199

［5］韓順，厲勇，王春旭等．AF1410鋼的旋轉彎曲疲勞破壞行為［J］．鋼鐵，2013．48（3）：82－85

［6］藺永誠，陳明松，鐘掘．42CrMo鋼的熱壓縮流變應力行為［J］．中南大學學報（自然科學版），2008．39（3）：549－553

［7］傅壘，王寶雨，周靖等．6111鋁合金熱變形行為及本構方程［J］．塑性工程學報，2013．20（2）：107－111

［8］厲勇，王春旭，田志凌等．二次硬化超高強度鋼的熱變形行為［J］．鋼鐵，2009．44（6）：73－76

作者：劉鑫剛 詹亮亮 張楠 祁榮勝 張鵬 張睿 單位：燕山大學 機械工程學院 中國第二重型機械集團 德陽萬航模鍛有限責任公司