王春旭， 劉憲民， 田志凌， 王 瑞， 李建新

(1.鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100081;2.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京 100081;3.撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113001）

超高強(qiáng)度23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形行為研究

王春旭1， 劉憲民1， 田志凌2， 王 瑞3， 李建新3

(1.鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100081;2.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京 100081;3.撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113001）

利用Gleeble-3800熱力模擬試驗(yàn)機(jī)，在1123～1423K溫度范圍，應(yīng)變速率0.5～10s－1條件下，對(duì)二次硬化超高強(qiáng)度23Co14Ni12Cr3MoE鋼進(jìn)行了高溫軸向壓縮試驗(yàn)，測(cè)得了鋼的高溫流變曲線，并觀察了變形后的顯微組織。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼流變應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而減小;在真應(yīng)變?yōu)?.8，應(yīng)變速率為0.5～10s－1的條件下，隨著變形速率的提高，其發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度也逐漸升高。當(dāng)變形速率為10s－1時(shí)，其變形溫度高于1373K，才會(huì)發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形激活能(Q）為421.6kJ/mol。本次研究還確立了鋼的熱變形方程。

23Co14Ni12Cr3MoE鋼;熱變形;流變應(yīng)力;激活能

幾十年來(lái)，超高強(qiáng)度鋼經(jīng)歷了低合金、中合金和高合金等幾個(gè)發(fā)展階段。而高合金系超高強(qiáng)度鋼，尤其二次硬化型高合金超高強(qiáng)度鋼以其極高的強(qiáng)度和良好的強(qiáng)韌性配合，以及良好的抗海水腐蝕性能和極好的焊接性能等特點(diǎn)在航空和航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)外科研工作者研究的熱點(diǎn)［1～3］。這類超高強(qiáng)度鋼具有高的鈷、鎳合金含量，其強(qiáng)度來(lái)自高位錯(cuò)密度的板條馬氏體，以及在回火過(guò)程中析出的細(xì)小彌散的共格M2C碳化物及 Fe2Mo 相 沉 淀 產(chǎn) 生 的 二 次 硬 化［4～10］。23Co14Ni12Cr3MoE鋼是目前該類鋼中具有最高的強(qiáng)韌性配合的典型代表。

金屬在熱變形過(guò)程中將發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這將對(duì)材料的最終性能產(chǎn)生很大影響，而這些動(dòng)態(tài)過(guò)程與熱變形溫度、變形速率等參數(shù)有關(guān)，因此確定合理的熱變形工藝參數(shù)對(duì)于改善材料的組織，提高材料的性能有重大意義。熱變形受熱激活過(guò)程的控制，隨著變形量增加，加工硬化和軟化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行并決定此時(shí)材料的變形抗力。變形過(guò)程的軟化決定于鋼的回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。本工作主要研究了23Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同工藝參數(shù)下的熱變形行為。

收稿日期:2011-05-03;修訂日期:2011-09-13作者簡(jiǎn)介:王春旭(1971—），男，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事超高強(qiáng)度鋼研究，(E-mail）wcxul@163.com

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用23Co14Ni12Cr3MoE鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）:C 0.24，Cr 2.94，Ni 11.44，Mo 1.22，Co 13.61，Si 0.01，Mn 0.005，S 0.001，P 0.003，F(xiàn)e余量。加工成尺寸為φ8mm×15mm的圓柱形壓縮試樣。在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)。試樣以10℃/s的加熱速率加熱到1423K，保溫5min，然后以10℃/s的冷卻速率冷卻到不同溫度后進(jìn)行變形。變形溫度分別為:1123K，1173K，1223K，1273K，1323K，1373K，1423K，變形速率分別為 0.5s－1，1s－1，5s－1，10s－1，真應(yīng)變?yōu)?.8。變形后立刻噴水淬火。用線切割把壓縮后的試樣沿軸線從中間剖開(kāi)，磨平、拋光后，采用飽和苦味酸水溶液+十二烷基苯磺酸鈉+雕牌洗潔精，60℃水浴對(duì)試樣進(jìn)行浸蝕來(lái)顯示奧氏體晶界。用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 23Co14Ni12Cr3MoE鋼真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線及變形組織

23 Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，23Co14Ni12Cr3MoE鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線從其類型上可以分為兩種:即在較低的變形溫度和高的應(yīng)變速率條件下，其流變曲線類型上主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)型流變曲線為主;而在高的變形溫度和較低的應(yīng)變速率條件下，其流變曲線表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型。23Co14Ni12Cr3MoE鋼的高溫流變曲線主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)型為主。只有在應(yīng)變速率低于1s－1，變 形 溫 度 高 于 1373K 變 形 時(shí)，23Co14Ni12Cr3MoE鋼的流變曲線才表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型(見(jiàn)圖1a，1b）。23Co14Ni12Cr3MoE鋼的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的升高而提高。當(dāng)應(yīng)變速率相同時(shí)，變形溫度升高，動(dòng)態(tài)軟化程度增大，動(dòng)態(tài)軟化速率加快，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)變也隨著變形溫度的升高而減小;當(dāng)變形溫度相同時(shí)，應(yīng)變速率升高，加工硬化率增大，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力也隨之提高。

金屬高溫流變曲線上的變化，可以反映出材料在變形過(guò)程中的組織變化。但對(duì)于具有較高的加工硬化率的金屬，在高溫變形過(guò)程中，發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所產(chǎn)生的軟化不足以抵消加工硬化，此時(shí)即使發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在高溫流變曲線上也不會(huì)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的明顯標(biāo)志——曲線上出現(xiàn)峰值。因此，僅從23Co14Ni12Cr3MoE鋼的高溫流變曲線不能完全斷定其是否發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，還必須配合借助相應(yīng)的金相顯微組織觀察分析。

23 Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同應(yīng)變速率、變形溫度下的典型金相組織如圖2所示。以0.5s－1的應(yīng)變速率，變形溫度1123K，發(fā)生0.8的真應(yīng)變后，其組織呈現(xiàn)條狀的變形組織(圖2a），此時(shí)23Co14Ni12Cr3MoE鋼在變形過(guò)程中只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;當(dāng)變形溫度提高到1273K，變形后，其晶粒基本是等軸狀的再結(jié)晶晶粒，此時(shí)鋼發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)應(yīng)變速率提高到1s－1，其發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度也升高到1323K，當(dāng)變形溫度稍低于1323K時(shí)，鋼發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其組織為條帶狀的變形晶粒和等軸晶粒的混合組織(圖2b）。同時(shí)在相同的應(yīng)變速率條件下，鋼在高于完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度變形后，隨著變形溫度的提高，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸也逐漸變大;而在相同的變形溫度條件下，隨著應(yīng)變速率的增加，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸變小(圖2c，2d）。當(dāng)應(yīng)變速率提高到10s－1時(shí)，發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度升高到1373K，比應(yīng)變速率為0.5s－1變形發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度提高了大約100K。

圖1 23Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同變形條件下的高溫流變曲線Fig.1 Elevated temperature flow stress curves of 23Co14Ni12Cr3MoE steel under different deformation conditions(a）0.5s－1;(b）1s－1;(c）5s－1;(d）10s－1

2.2 23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形方程

金屬材料的高溫流變應(yīng)力既與材料化學(xué)組成有關(guān)，又與變形溫度T、應(yīng)變速率˙ε以及變形量ε有關(guān)，在材料組成不變時(shí)，流變應(yīng)力σ與變形條件之間具有如下的雙曲正弦關(guān)系［11～13］:

這里σ可為峰值應(yīng)力σp，或穩(wěn)定狀態(tài)流變應(yīng)力σs，或相應(yīng)于某指定應(yīng)變量之流變應(yīng)力，在本工作中σ使用峰值應(yīng)力;R為氣體常數(shù);Q為控制軟化過(guò)程的激活能;A，n，α為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

在低應(yīng)力水平時(shí)，式(1）簡(jiǎn)化為:

在高應(yīng)力水平時(shí)，式(1）簡(jiǎn)化為:

其中，常數(shù)α，β及n之間滿足α=β/n'。對(duì)式(2）和式(3）兩邊分別取對(duì)數(shù)并求偏導(dǎo)，可得:

將圖1的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)按式(4）和式(5）處理得到圖3。從圖3中可以看出，σp－ln˙ε和lnσp－ln˙ε都近似呈線性關(guān)系，通過(guò)線性回歸分析可得，β =0.05745MPa－1和 n=10.0553，進(jìn)而計(jì)算得α = β/n≈0.006MPa－1。

圖2 23Co14Ni12Cr3MoE鋼不同變形條件下的金相組織Fig.2 Metallography of 23Co14Ni12Cr3MoE steel under different deformation conditions(a）0.5s－1，1123K;(b）1s－1，1273K;(c）1s－1，1323K;(d）5s－1，1323K

對(duì)式(1）兩邊取自然對(duì)數(shù)得:

當(dāng)變形溫度恒定時(shí)，式(6）兩邊對(duì)應(yīng)變速率求偏導(dǎo)，得:

當(dāng)變形速率恒定時(shí)，式(2）兩邊對(duì)1/T求偏導(dǎo)，得:

根據(jù)圖1中的高溫流變曲線數(shù)據(jù)，得到峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

對(duì)圖4進(jìn)行線性回歸，得出:A=7.7292×1016;n=7.3541;Q=421.6kJ/mol。將上述結(jié)果代入式(1）中，可以確立23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形方程為:

3 結(jié)論

(1）二次硬化超高強(qiáng)度23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形激活能Q值為421.6kJ/mol，其熱變形方程為=7.7292×1016［sinh(0.006σ）］7.3541exp(－

(2）在真應(yīng)變?yōu)?0.8，溫度為 1123～1423K，應(yīng)變速率為 0.5～10s－1的條件下，23Co14Ni12Cr3MoE鋼的高溫流變應(yīng)力隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高而增大;同時(shí)隨著變形速率的提高，其發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度也逐漸升高，當(dāng)變形速率為10s－1時(shí)，其變形溫度高于1373K，才會(huì)發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

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Hot Deformation Behavior of 23Co14Ni12Cr3MoE Ultra-High Strength Steel

WANG Chun-xu1， LIU Xian-min1， TIAN Zhi-ling2， WANG Rui3， LI Jian-xin3
(1.Institute for Structural Materials，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China;2.China Iron ＆ Steel Research Institute Group，Beijing 100081，China;3.FuShun Special Steel Co.，Ltd，F(xiàn)ushun 113001，Liaoning China）

The hot compression deformation behaviors of secondary hardening ultra-high strength 23Co14Ni12Cr3MoE steel with high strength and toughness were investigated by use of Gleeble-3800 simulator at the temperature range of 1123K to 1423K and at the strain rate of 0.5～10s－1.The corresponding flow curves were determined and hot deformed microstructures were observed.The results show that the flow stress and peak strain increase with increasing strain rate or decreasing deformation temperature.At true strain 0.8 and the strain rate of 0.5～10s－1，the temperature of full dynamic recrystallization increase with the strain rate rising.When the strain rate is 10s－1，the deformation temperature is beyond 1373K，the full dynamic recrystallization is occurred.The hot deformation activation energy Q of steel is 421.6kJ/mol，and the hot deformation equation is derived based on the experiments.

23Co14Ni12Cr3MoE steel;hot deformation;flow stress;activation energy

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.6.004

TG142.1

A

1005-5053(2011）06-0019-05