劉 鑫 鐘約先 馬慶賢 袁朝龍

清華大學先進成形制造教育部重點實驗室,北京,100084

0 引言

有效利用鋼的再結(jié)晶機制,可以消除鑄態(tài)粗大枝晶組織,獲得細小均勻的組織,從而提高熱加工產(chǎn)品的性能。研究表明,金屬發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒結(jié)構(gòu)比靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶的晶粒結(jié)構(gòu)具有更好的綜合性能[1]。因此,控制鍛造溫度、變形量等參數(shù),利用水壓機較小的應(yīng)變速率對鍛件進行控制鍛造,誘發(fā)金屬在高溫下的動態(tài)再結(jié)晶,成為大型鍛造件生產(chǎn)過程中提高產(chǎn)品性能的最主要途徑。

目前,我國的大型低壓轉(zhuǎn)子用鋼為30Cr2Ni4MoV鋼,相當于國外的3.5%NiCrMoV鋼,我國機械行業(yè)標準對30Cr2Ni4MoV鋼化學成分的質(zhì)量分數(shù)及力學性能的做出了規(guī)定[2]。如何通過細化和均勻內(nèi)部晶粒來提高產(chǎn)品機械性能,并最終具備百萬千瓦級核電低壓轉(zhuǎn)子的設(shè)計和制造能力,是我國目前急需突破的重點方向。研究并建立30Cr2Ni4MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶模型,可以為建立30Cr2Ni4MoV鋼鍛造生產(chǎn)過程的數(shù)值模擬模型提供重要基礎(chǔ)。

1 熱模擬實驗方案

為研究30Cr2Ni4MoV鋼的流變力學行為和動態(tài)再結(jié)晶行為,本實驗設(shè)備為Gleeble1500熱模擬實驗機,模擬參數(shù)為轉(zhuǎn)子鍛件在生產(chǎn)過程中的鍛造溫度和水壓機應(yīng)變速率。實驗采用平面壓縮法,試樣為φ 8mm×12mm的圓柱,圓柱兩端開凹槽并填充潤滑劑以減小試樣在加載過程中出現(xiàn)的鼓肚等變形不均勻,圓柱周圍涂抹抗氧化劑防止表面氧化和熱電偶脫落。實驗工藝流程如下:先將試樣加熱至1200℃并保溫5min,再將溫度調(diào)整至變形溫度T,然后壓縮試樣變形至應(yīng)變ε=0.7,接著水冷。工藝參數(shù)如表1所示。

表1 實驗工藝參數(shù)設(shè)計

2 流變力學行為

2.1 高溫流動應(yīng)力曲線

實驗得到的30Cr2Ni4MoV鋼在各應(yīng)變速率和溫度條件下的流動應(yīng)力曲線如圖1～圖3所示。流動應(yīng)力曲線上應(yīng)變增大而應(yīng)力基本恒定時,試樣處于動態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)態(tài)。由此可見,在應(yīng)變速率為1s—1時,溫度達到1200℃才能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶并呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài);應(yīng)變速率為 0.1s—1時,溫度高于1000℃可發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,1150℃以上可以呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài);應(yīng)變速率為0.01s—1時,溫度只需高于900℃就可發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,高于1000℃呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。即在應(yīng)變速率較大時,30Cr2Ni4MoV鋼只有在較高溫度下變形才能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,在較高溫度下,各種應(yīng)變速率條件變形都容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。由此可見,在大型軸類鍛件的生產(chǎn)條件下,提高變形溫度和減小應(yīng)變速率都有利于減小30Cr2Ni4MoV鋼的峰值應(yīng)力,使之發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。大型核電低壓轉(zhuǎn)子鋼生產(chǎn)中應(yīng)變速率可達0.01s—1,甚至更小,本文實驗得到的數(shù)據(jù)在實際生產(chǎn)中利用是安全的。

2.2 動態(tài)再結(jié)晶熱激活過程模型

變形過程中,變形溫度和應(yīng)變速率對鋼的軟化都起作用,動態(tài)再結(jié)晶的數(shù)學模型[3-4]通常用溫度補償應(yīng)變速率因子Zener—Hollomon參數(shù)Z來描述動態(tài)再結(jié)晶行為,即

式中,QDRX為變形激活能;R為氣體常數(shù);T為熱力學溫度。

金屬材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時,其流動應(yīng)力曲線的第一個峰值應(yīng)力σp和參數(shù)Z滿足如下關(guān)系:

式中,A和n為只與材料自身相關(guān)的常系數(shù)。

lnσp與lnZ之間的關(guān)系如圖4所示。

2.3 動態(tài)再結(jié)晶動力學模型

在一定的溫度和一定應(yīng)變速率的條件下,高溫流動應(yīng)力曲線中的峰值應(yīng)變εp、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εs、動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的初始臨界應(yīng)變εc和參數(shù)Z滿足如下關(guān)系:

式中,Bi、mi為只與金屬材料自身相關(guān)的常系數(shù)。

并且有[5]

將實驗取得的高溫流動應(yīng)力特征數(shù)據(jù)代入式(5)進行多元回歸可以得到30Cr2Ni4MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶動力學模型:εp=1.48 ×10—3Z0.179,相關(guān)系數(shù)為0.978 97,εc=0.8εp;εs=3.27×10—3Z0.175,相關(guān)系數(shù)為0.930 95。lnεp 、lnεs、lnεc 與 ln Z 之間的關(guān)系如圖5所示。

2.4 動態(tài)再結(jié)晶比例

采用Avrami型表達式描述金屬材料的動態(tài)再結(jié)晶運動學過程,動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生后,其動態(tài)再結(jié)晶比例為

為避免金相腐蝕和視場選擇等人為因素對動態(tài)再結(jié)晶體積比例確定造成的影響,選用Beynon等[6]提出的基于高溫流動應(yīng)力曲線的金屬材料動態(tài)再結(jié)晶體積比例測量方法計算:

式中,σ為金屬高溫流動應(yīng)力曲線上的應(yīng)力值;σs為動態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值;σREC為假想金屬未發(fā)生動態(tài)軟化時流動應(yīng)力曲線上的應(yīng)力值;σ′s為該流動應(yīng)力曲線的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值。

上述各參數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

將實驗取得的高溫流動應(yīng)力特征數(shù)據(jù)代入式(6)進行多元回歸可以得到30Cr2Ni4MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶比例:

相關(guān)系數(shù)為0.9057。

2.5 動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型

研究認為,動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸為正比于參數(shù)Z的指數(shù)函數(shù):

式中,dDXR為動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸;C和N為只與金屬材料自身相關(guān)的常系數(shù)。

將實驗取得的結(jié)果試樣進行腐蝕得到原奧氏體晶界,測量發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶試樣的動態(tài)再結(jié)晶晶粒的平均尺寸,將所得尺寸和實驗條件代入式(9)進行多元回歸可以得到30Cr2Ni4MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型:

相關(guān)系數(shù)為0.97679。

3 高溫變形淬火后的顯微組織

為保證熱模擬試樣的溫度均勻分布和初始晶粒度相同,試樣在變形實驗前加熱至1200℃并保溫。此時,試樣中奧氏體晶粒尺寸約為190μ m。

對于一定變形溫度和應(yīng)變速率條件,當變形達到初始臨界應(yīng)變εc時,動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生;達到穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εs時,發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶;介于兩者之間時,發(fā)生部分動態(tài)再結(jié)晶。如圖7所示,變形溫度t=1000℃、應(yīng)變速率為 0.1s—1條件下的試樣顯微組織在較大的原奧氏體晶界處形成再結(jié)晶核心,核心長大成為細小等軸晶粒并逐步向內(nèi)擴展。用截線法對其動態(tài)再結(jié)晶體積比例XDXR進行測量,得到的測量值為68.95%,這比根據(jù)式(8)獲得的計算值69.61%小0.96%,從而驗證了式(8)的準確性。

根據(jù)30Cr2Ni4MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶動力學模型可知,提高溫度和減小應(yīng)變速率都有利于動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。當溫度較低、應(yīng)變速率較大時,較小的變形不足以積累足夠的位錯密度,不能達到動態(tài)再結(jié)晶所需的驅(qū)動力,變形后試樣的顯微組織為垂直壓縮方向拉長的晶粒,即晶粒呈扁平狀,如圖8a所示,此時隨著應(yīng)變量的增大,位錯密度不斷提高,宏觀體現(xiàn)為材料的加工硬化過程;當溫度較高、應(yīng)變速率較小時,較小的應(yīng)變就可以積累到足夠的位錯密度,達到動態(tài)再結(jié)晶所需要的驅(qū)動力,動態(tài)再結(jié)晶晶粒于原奧氏體晶界形成并逐步向內(nèi)擴展,最終吞噬掉整個晶粒,形成細小等軸晶,如圖8b所示,此時,動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化和加工硬化形成了動態(tài)平衡,在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上反映為屈服應(yīng)力保持恒定值。

當動態(tài)再結(jié)晶完成后,該部分的位錯畸變能隨之得以釋放,但隨著變形的繼續(xù),動態(tài)再結(jié)晶持續(xù)進行。同時,動態(tài)再結(jié)晶形成的晶粒又承受新的變形,產(chǎn)生新的加工硬化,從而積累應(yīng)變開始新的軟化過程。因此,就整個奧氏體來說,動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生不能完全消除奧氏體的加工硬化,上述原因使得奧氏體動態(tài)再結(jié)晶中的晶粒尺寸不是完全均勻的,如圖9、圖10所示。對于大型鍛件,由于尺寸和噸位的巨大,其加工過程往往比較費時,并且在鍛造變形后都要停留一定的時間,使新晶?？梢酝ㄟ^逐步相互合并長大而達到一個穩(wěn)定的尺寸。

在溫度一定的條件下,應(yīng)變速率越大,發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶后,晶粒越細小,如圖9所示。這主要是由于減小應(yīng)變速率可使變形過程中產(chǎn)生的位錯有充足的時間以交滑移與攀移的方式運動,使部分位錯消失,部分重新排列,位錯以動態(tài)回復等其他軟化方式消耗,從而由高能態(tài)的混亂排列向低能態(tài)的規(guī)則排列變化。

在應(yīng)變速率一定的條件下,溫度越低,發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶后,晶粒越細小,如圖10所示。這主要由于變形溫度越高,原子活動能力增大,位錯的運動變得劇烈,雜亂分布的位錯逐漸集中或按規(guī)律排列,使得動態(tài)回復的程度增大,從而減小了變形后的畸變能,使晶粒粗化;同時,動態(tài)再結(jié)晶完成后,晶粒會以大角晶界的移動和相互合并的方式長大,溫度越高,晶粒長大的速度也越快。

4 結(jié)論

(1)30Cr2Ni4MoV鋼為典型低層錯能鋼,再結(jié)晶溫度以上時,在較小應(yīng)變速率下可以發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶,流動應(yīng)力在變形抗力出現(xiàn)應(yīng)力峰值后進入穩(wěn)態(tài),變形后試樣的顯微組織表明其內(nèi)部產(chǎn)生了動態(tài)再結(jié)晶等軸細晶。

(2)提高溫度和減小應(yīng)變速率有利于動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生;發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的參數(shù)范圍內(nèi),降低溫度和增大應(yīng)變速率有利于細化動態(tài)再結(jié)晶晶粒。

(3)為了充分利用動態(tài)再結(jié)晶機制,使鍛件獲得良好的晶粒度,30Cr2Ni4MoV鋼建議鍛造應(yīng)變速率在0.1s—1以下、變形溫度在1050℃以上;最后一次的鍛造在保證充分動態(tài)再結(jié)晶的條件下,采用盡量大的應(yīng)變速率和盡量低的溫度。

(4)得到了30Cr2Ni4MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學模型。

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