趙翠清，宋仁伯，趙 聰，潘東遠(yuǎn)

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100083）

9Cr18屬于馬氏體不銹鋼，淬火后具有高硬度、高耐磨性和耐腐蝕性，常用于制作不銹鋼軸承，而軸承零件經(jīng)常處于摩擦、高溫等工況。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于9Cr18不銹鋼的研究報(bào)道有很多，其中大多數(shù)是對(duì)其耐磨性和耐蝕性的研究，或是針對(duì)具體軸承零件的特點(diǎn)進(jìn)行的工藝改良，而針對(duì)9Cr18不銹鋼熱變形行為的研究還相對(duì)較少。為此，作者采用Gleeble－1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)9Cr18不銹鋼進(jìn)行不同參數(shù)條件下的高溫壓縮試驗(yàn)，研究變形溫度、應(yīng)變速率等對(duì)其變形抗力的影響，并建立9Cr18的變形抗力模型，分析其在高溫壓縮過(guò)程中的變形特征，以期為9Cr18不銹鋼在實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)制定提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為符合GB／7 1220—2007的9Cr18棒料，直徑為10 mm，其化學(xué)成分如表1所示。采用車削加工除去棒材表面1 mm厚度材料，徑向切割，制成φ8 mm×15 mm的標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣。

表1 9Cr18不銹鋼的化學(xué)成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of 9Cr18 stainless steel

高溫壓縮試驗(yàn)在Gleeble－1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，氬氣保護(hù)。采用圓柱形碳化鎢作壓頭，試驗(yàn)時(shí)壓縮端面涂抹MoS2高溫潤(rùn)滑劑，以減小由摩擦引起的試驗(yàn)誤差，保證變形的均勻性和穩(wěn)定性［1］。

采用DSC差熱分析掃描儀測(cè)出試樣熔點(diǎn)為1 384℃，根據(jù)熔點(diǎn)制定熱壓縮試驗(yàn)溫度為850～1 100℃，變形速率為0.01～10.0 s－1。試驗(yàn)設(shè)計(jì)工藝如圖1所示。

圖1 熱壓縮試驗(yàn)工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot compression deformation

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析

圖2為試樣在不同工藝條件下的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，試樣在不同的應(yīng)變速率或應(yīng)變溫度下變形的過(guò)程中都出現(xiàn)了峰值應(yīng)力，即都發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖2 9Cr18不銹鋼的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 True stress－true strain curves of 9Cr18 stainless steel

圖3 9Cr18不銹鋼加工硬化率與流變應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Relationship betweenθandσfor 9Cr18 stainless steel

圖4 9Cr18不銹鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變量Fig.4 Critical strains of dynamic recrystallization for 9Cr18 stainless steel

由圖2可見(jiàn)，應(yīng)力達(dá)到峰值后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化規(guī)律可分為兩種：①850℃和900℃時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線明顯下降，且直至形變結(jié)束也沒(méi)有出現(xiàn)平穩(wěn)或再度上升的現(xiàn)象。這表明隨著應(yīng)變量的增大，試樣的加工硬化效果逐漸顯著，由圖4可見(jiàn)，該溫度下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變量εc較大，因此晶粒需要變形到一定程度以儲(chǔ)存足夠大的畸變能為第二輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的形核與長(zhǎng)大提供動(dòng)力；②950～1 100℃時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線隨變形量的增大先有小幅度降低，后逐漸趨于平緩。這是由于該溫度下εc較小，第二輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒形核長(zhǎng)大容易進(jìn)行，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行所引起的軟化作用與加工硬化相持平，最終達(dá)到加工穩(wěn)定硬化階段。

圖5 高溫壓縮試樣顯微組織（＝0.5 s－1）Fig.5 Microstructures of samples at different deformation temperatures（＝0.5 s－1）

2.2 變形抗力模型的建立

變形抗力模型的研究以考慮變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變量等宏觀量對(duì)流變應(yīng)力的影響為主，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)不同鋼種在不同條件下變形抗力模型的研究有很多，比較成熟的有Cigara模型、Hollomon模型以及周紀(jì)華－管克智模型等［4－6］。參考用于不銹鋼的流變抗力模型和經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合理論研究以及多次曲線擬合、回歸分析和精度檢驗(yàn)，最終確定周紀(jì)華－管克智模型［6］能夠較好地描述9Cr18熱壓縮變形抗力與各變量的關(guān)系：

式中：σ為流變應(yīng)力，MPa；σ0、a1～a6為待定常數(shù)；ε為應(yīng)變量為應(yīng)變速率，s－1；T為熱力學(xué)溫度，K。由式（1）可知，變形溫度與變形抗力為對(duì)數(shù)關(guān)系，應(yīng)變速率與變形抗力為雙對(duì)數(shù)關(guān)系，變形程度與變形抗力近似為冪函數(shù)關(guān)系。

利用1stOpt軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。采用麥夸特法（Levenberg－Marquardt）和通用全局優(yōu)化法進(jìn)行計(jì)算［7］，計(jì)算用時(shí)55 min，迭代次數(shù)為35，擬合結(jié)果如表2所示。

表2 擬合結(jié)果Table 2 Fitted values

將參數(shù)的最佳估值代入式（1），確定9Cr18不銹鋼變形抗力模型為：

對(duì)該模型進(jìn)行誤差分析，得到相關(guān)系數(shù)R＝0.991 9，均方差為13.104 9，表明模型擬合度較高。

圖6為不同工藝參數(shù)下根據(jù)模型計(jì)算與實(shí)測(cè)得到的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線比較，從圖6中可以看出模型計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合性良好。

圖6 實(shí)測(cè)與擬合的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of measured and simulated true stressstain curves

2.3 熱變形方程的建立

試樣在高溫壓縮熱變形過(guò)程中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生是一個(gè)熱激活的過(guò)程，需要一定的形變激活能Q。能否發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與Zener－Hollomon（Z－H）參數(shù)和ε有關(guān)［8］。

試樣的峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出，應(yīng)變速率相同時(shí)，變形溫度越高，峰值應(yīng)力越低。

圖7 應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力的關(guān)系Fig.7 Relationship between lnε·and ln sinh（）［］ασ

鋼的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系取決于應(yīng)變速率和變形溫度T，可用Z－H參數(shù)表示為［9－10］：

式中：Z為Z－H參數(shù)，其物理意義是溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃?；R為氣體常數(shù)；n、α和A均為常數(shù)，與材料本身有關(guān)；Q為形變激活能，kJ／mol，它能反映材料熱變形的難易程度，也是材料在熱變形過(guò)程中重要的力學(xué)性能參數(shù)［11］。

通過(guò)轉(zhuǎn)化可得熱變形流變應(yīng)力方程：

利用最小二乘法對(duì)峰值應(yīng)力的雙曲正弦函數(shù)進(jìn)行線性擬合，通過(guò)斜率的計(jì)算可以得到9Cr18不銹鋼熱變形的形變激活能Q＝461.7 kJ／mol，其值高于一些常見(jiàn)鋼種的形變激活能，即9Cr18不銹鋼熱變形相對(duì)較難進(jìn)行，而這恰恰適用于常處于摩擦、高溫等工作環(huán)境中的軸承類零件，以保證其耐高溫性能。

結(jié)合式（4）和式（5）可以得到常數(shù)n、α和A的值分別為7.884 99、0.004 34和2.468 17×1018。

將形變激活能代入式（3）中得到Z－H參數(shù)的表達(dá)式為：

將形變激活能與各常數(shù)帶入式（4）中，得到9Cr18的熱變形流變應(yīng)力方程為：

3 結(jié)論

（1）應(yīng)變速率一定時(shí)，9Cr18動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界變形量εc隨溫度的升高而降低，高的形變溫度和低的應(yīng)變速率有利于再結(jié)晶的發(fā)生。

（2）基于周紀(jì)華－管克智模型得到9Cr18不銹鋼變形抗力模型為：

且該抗力模型的擬合性較好。

（3）9Cr18不銹鋼形變激活能Q值為461.7 kJ／mol，其Z－H參數(shù)表達(dá)式為：

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