高强度钢热变形行为研究范文

本站小编为你精心准备了高强度钢热变形行为研究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《塑性工程学报》2016年第二期

摘要：

利用Gleeble－3800热模拟试验机，在温度850℃～1150℃及应变速率0．001s－1～10s－1下进行热压缩试验，研究了AF1410高强钢的热变形行为。考虑摩擦、温度升高的影响，修正了AF1410钢的实测流变应力，修正后的流变应力低于对应的测量值。随着应变速率增加及变形温度降低，摩擦对流变应力的影响逐渐增大；温度升高对流变应力的影响在高应变、低变形温度时较为明显。基于修正后的流变曲线，通过线性回归确定了变形过程中的热激活能Q＝366．89kJ•mol－1，建立了AF1410钢的本构方程。

关键词：

AF1410高强钢；热变形；流变应力；本构方程

AF1410钢是一种二次硬化的超高强度合金钢，不仅具有高强度、高断裂韧性，且具有优良的焊接性能和切削成形性能，常用于飞机的重要结构件［1］。AF1410钢以强韧的低碳马氏体为基体，其高强度来自高位错密度的板条马氏体和在回火过程中析出细小弥散的共格M2C碳化物产生的二次硬化［2］。AF1410钢微观组织和力学性能的联系和影响机理是学者们关注的主要问题。廉学魁等［3］研究了加热过程中AF1410钢奥氏体晶粒的长大行为，并建立了奥氏体晶粒长大数学模型。李能等［4］研究了3种不同焊后热处理状态下AF1410钢电子束焊接接头的组织及力学性能。韩顺等［5］针对AF1410钢的旋转弯曲疲劳破坏行为进行了大量研究。变形温度、应变速率等与应力的关系是研究与分析复杂航空模锻件成形制造工艺的重要依据［6－7］。尽管已有学者［8］研究了AF1410钢的流变应力等问题，但若要获得较为准确的模型，需要对试验过程中摩擦、变形热等因素加以考虑。本文在热压缩试验数据的基础上，通过量化处理试验过程中摩擦、变形热的影响，以期获得较为准确的流变应力，为AF1410钢航空模锻件的工艺制定提供支撑。

1试验材料及方法

试验材料由中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司提供，主要合金元素成分（wt％）为：C0．180，Mn0．010，Si0．030，Cr2．000，Ni10．440，Co13．740，Mo1．020。在Gleeble－3800热／力模拟试验机上进行热压缩试验，试样尺寸为Φ10mm×15mm。在试样两端涂抹高温润滑剂并粘贴坦片以减小变形过程中试样与压头之间的摩擦，保证变形的均匀性和稳定性。具体试验步骤为，以10℃•s－1的加热速度加热到1150℃，保温120s；然后以10℃•s－1的冷却速度冷却到不同的变形温度（850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃），均热30s后进行压缩变形；压缩时应变速率分别取为0．001s－1、0．01s－1、0．1s－1、1s－1、10s－1，压缩量为60％；试样变形结束后立即水淬冷却。

2流变应力修正

2．1摩擦修正在试验过程中，为减小试样与压头间的摩擦已采取了一些措施。但随着变形程度的增加，摩擦影响越来越显著，导致试样变形不均匀程度增大。因此，由试验获得的流变曲线应考虑摩擦的影响。当1＜鼓形系数B≤1．1时，流变应力的测量值与真实值相差较小，测量值可以不进行修正；而当鼓形系数B＞1．1时，流变应力的测量值与真实值相差较大，应考虑对其进行修正。表1是各变形条件下变形后各试样的鼓形系数B值。从表中可以看出，所有鼓形系数B＞1．1，即试验过程中摩擦的影响较大，需要对试验数据进行修正。图1所示为考虑了摩擦影响的AF1410流变应力修正曲线，图中给出了真应变0．9时的实测值与摩擦修正后的应力差值。由图可见，流变应力的测量值大于对应的修正值，且随着变形程度的增大，两者间的差值增大。同时，从图中流变应力的实测值与修正值的最大差值可以看出，应变速率降低、变形温度升高，会降低摩擦对流变应力的影响。

2．2温度修正金属在高温下变形时会发生软化行为，尤其是组织中产生动态再结晶后，随着应变的增大会出现应力下降的现象。但若试验过程中变形热无法及时消散，将导致实际变形温度大于设定温度，此状态下得到的实验曲线应进行修正。当应变速率ε≤0．001s－1时，由于变形热产生量较小，且在该条件下传导消散，压缩试验可视为实际变形温度与设定温度相同。而应变速率较大时，变形热较大，且来不及消散，实际试样的温度将大于设定温度，则由压缩试验测得的流变应力曲线应给予修正。图2所示为不同变形条件下试样温度变化的最大值。由图可知，应变速率对试样温升的影响较大，应变速率越大，试样温升越高；同时，随着变形温度的增加，变形过程中试样温升减小。图中变形温度850℃、应变速率10s－1，试样在应变0．9时温度升高46℃。考虑到试验过程中实际变形温度的变化，在摩擦修正的基础上进一步对流变应力曲线进行修正，采用插值多项式进行插值计算，根据应力与温度关系的拟合公式，外推计算出预设变形温度时的应力值，以完成流变应力的修正。图3所示为考虑温度、摩擦修正后与仅考虑摩擦修正后AF1410流变应力曲线的对比，图中“850℃～10s－1”表示该曲线的变形参数为变形温度850℃，应变速率10s－1，下同。由图可见，低应变速率（0．01s－1、0．1s－1）时，考虑温度与摩擦修正与仅考虑摩擦修正的曲线差值较小；而高应变速率（1s－1、10s－1）时，曲线差值较大，尤其是低变形温度时。相同应变速率时，曲线差值随变形温度的降低而升高。在应变0．9时，预设变形温度850℃、应变速率10s－1的流变应力差值达到25MPa。

2．3修正后流变应力分析图4所示为不同变形温度和应变速率下AF1410钢修正后的流变应力曲线与实测曲线的对比，由图可见，相同变形条件及应变量下，温度、摩擦修正后的流变应力一般都小于实测值，也就是说本试验条件下摩擦对流变应力的影响要大于试样温升对流变应力的影响。对于某些变形条件下可较容易从曲线上判别软化机制的类型。例如，变形温度为1000℃、应变速率为10s－1时，试验曲线只可推断出发生了动态回复，但是从温度、摩擦修正后的曲线可较容易推断动态再结晶机制的发生。

3本构方程的建立

材料在高温热变形过程中，其流变应力主要受到变形温度T、应变速率ε和应变ε影响。应变速率ε、变形温度T和流变应力σ间的关系可由Ar－rhenius方程描述，亦可用含有Zener－Hollomon参数（Z）的指数方程表征。

4结论

本文在变形温度850℃～1150℃、应变速率0．001s－1～10s－1的试验条件下，对AF1410钢进行了等温压缩试验。1）考虑摩擦、温度升高的影响，修正了AF1410钢的实测流变应力。摩擦修正后的流变应力低于对应的测量值，随着应变速率增加及变形温度降低，摩擦对流变应力的影响逐渐增大。试验中温度升高对流变应力的影响在高应变速率、低变形温度时较为明显。2）采用修正后的流变应力推算出AF1410钢的热变形激活能Q＝366．89kJ•mol－1，其热变形本构方程可由式（12）、式（13）表示。

参考文献

［1］宋戈，李剑峰，孙杰等．AF1410超高强度钢硬质合金加工刀具的磨损机理［J］．粉末冶金材料科学与工程，2010．15（6）：567－573

［2］张国栋，袁鸿，王金雪等．焊后热处理对AF1410钢电子束焊接接头组织及性能的影响［J］．热加工工艺，2015．44（13）：205－207

［3］廉学魁，厉勇，刘宪民等．二次硬化超高强度钢AF1410奥氏体晶粒长大行为［J］．特殊钢，2010．31（5）：61－63

［4］李能，李洪林，郭绍庆等．二次补焊对AF1410钢氩弧焊接接头性能的影响［J］．热加工工艺，2012．41（13）：197－199

［5］韩顺，厉勇，王春旭等．AF1410钢的旋转弯曲疲劳破坏行为［J］．钢铁，2013．48（3）：82－85

［6］蔺永诚，陈明松，钟掘．42CrMo钢的热压缩流变应力行为［J］．中南大学学报（自然科学版），2008．39（3）：549－553

［7］傅垒，王宝雨，周靖等．6111铝合金热变形行为及本构方程［J］．塑性工程学报，2013．20（2）：107－111

［8］厉勇，王春旭，田志凌等．二次硬化超高强度钢的热变形行为［J］．钢铁，2009．44（6）：73－76

作者：刘鑫刚 詹亮亮 张楠 祁荣胜 张鹏 张睿 单位：燕山大学 机械工程学院 中国第二重型机械集团 德阳万航模锻有限责任公司