文/李增輝，李俊峰，張曦寧，趙琳瑜·西安航天動(dòng)力機(jī)械廠

旋壓成形對(duì)T-250鋼機(jī)械性能的影響

文/李增輝，李俊峰，張曦寧，趙琳瑜·西安航天動(dòng)力機(jī)械廠

T-250馬氏體時(shí)效鋼以其高強(qiáng)度、斷裂韌性、屈強(qiáng)比、熱處理工藝簡(jiǎn)單、尺寸穩(wěn)定、變形小、無(wú)脫碳、殼體表觀質(zhì)量好、冷成形、焊接、機(jī)加工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，一直被視為制造航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的最佳金屬材料。但昂貴的價(jià)格限制了它的廣泛使用。不過(guò)近年來(lái)，隨著低成本的無(wú)Co馬氏體時(shí)效鋼T-250在國(guó)內(nèi)的研制成功，使其廣泛應(yīng)用成為可能。

上鋼五廠對(duì)已投入工業(yè)化生產(chǎn)的無(wú)Co馬氏體時(shí)效鋼T-250開(kāi)展了旋壓工藝對(duì)其性能影響的分析研究，以及對(duì)T-250鋼原材料經(jīng)過(guò)兩種成形工藝方案制備的試樣進(jìn)行不同溫度下的時(shí)效處理試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的性能數(shù)據(jù)，最終確定540℃×3h的最終時(shí)效熱處理制度可以保證殼體抗拉強(qiáng)度為1700～1850MPa，延伸率≥0.06的性能要求。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料

馬氏體時(shí)效鋼在820℃固溶處理后空冷或水冷即可形成高密度位錯(cuò)的板條馬氏體組織，但由于沒(méi)有第二相粒子對(duì)位錯(cuò)釘扎作用，因而此時(shí)的馬氏體時(shí)效鋼強(qiáng)度并不高而塑性很好，適于冷塑性加工。然后再加熱到480℃經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，基體組織中析出Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo等強(qiáng)化相，增大了高密度位錯(cuò)、位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)以及馬氏體板條界移動(dòng)的阻力，從而使馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)度提高。國(guó)內(nèi)外無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表1所示。

馬氏體時(shí)效鋼熱處理變形小，可在精加工后直接進(jìn)行時(shí)效處理，但考慮到圓筒材料在時(shí)效熱處理前經(jīng)過(guò)多道次旋壓加工，其內(nèi)部組織狀態(tài)、晶粒度等都將發(fā)生變化，采用常規(guī)的480℃時(shí)效處理制度，圓筒的機(jī)械性能不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要針對(duì)旋壓成形的工藝特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)探索更為合理的熱處理工藝參數(shù)。

表1 國(guó)內(nèi)外無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼的力學(xué)性能

表2 T-250鋼的化學(xué)成分 （ω，%）

表3 T-250鋼固溶狀態(tài)下的機(jī)械性能

材料可旋性分析

在研究過(guò)程中，采用從上鋼購(gòu)進(jìn)的一定數(shù)量的T-250鋼熱軋管料，該批材料采用真空感應(yīng)熔煉（VIM）＋真空電弧重熔（VAR）的雙真空冶煉工藝。其化學(xué)成分及固溶狀態(tài)下的機(jī)械性能如表2、3所示。

由上表3可以看出：固溶狀態(tài)下T-250鋼的斷面收縮率Ψ很大，可達(dá)到60%以上，可見(jiàn)該材料具有較高的塑性加工性能。可計(jì)算其極限旋壓減薄率ε可高達(dá)77.9%。由此說(shuō)明：T250鋼具有良好的可旋壓性能。

實(shí)驗(yàn)方法

旋壓加工設(shè)備：PTxxx旋壓機(jī)。

旋壓毛坯厚度：8.5mm。

工藝方案：

方案一：擠壓管→毛坯機(jī)加→旋壓→磁粉探傷→時(shí)效處理→性能測(cè)試。

方案二：擠壓管→毛坯機(jī)加→旋壓→固溶→旋壓→磁粉探傷→時(shí)效處理→性能測(cè)試。

試驗(yàn)過(guò)程

旋壓過(guò)程：方案一采用三道次連續(xù)旋壓成形，即毛坯由8.5mm分三道次減薄至1.1mm；方案二則是在第二道次后進(jìn)行固溶處理（815℃＋1h），此時(shí)工件壁厚約為3.8mm，然后再進(jìn)行第三道次旋壓（終旋），使工件減薄至1.1mm。

試樣切?。涸嚇訌慕?jīng)過(guò)旋壓圓筒上切取，利用線切割加工成板狀拉伸試樣和硬度試樣。

時(shí)效處理：對(duì)各試樣進(jìn)行不同溫度的時(shí)效處理。

性能測(cè)定：拉伸試驗(yàn)按GB/T228執(zhí)行，性能測(cè)試在電子拉力材料試驗(yàn)機(jī)和洛氏硬度機(jī)上進(jìn)行。

結(jié)果與分析

原材料試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，三道次連續(xù)旋壓成形方案（方案一）所得試片的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，方案二所得試片的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表4 原材料試片的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 方案一所得試片的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 方案二所得試片的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 時(shí)效溫度對(duì)硬度的影響

圖2 時(shí)效溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響

時(shí)效溫度對(duì)硬度及抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響

T250鋼原材料、經(jīng)過(guò)三道次連續(xù)旋壓（方案一）以及中間增加固溶處理的旋壓件（方案二）的硬度與時(shí)效溫度的關(guān)系，如圖1所示，硬度值為兩個(gè)試樣的平均值，而每個(gè)試樣檢測(cè)三個(gè)硬度值，并求其平均值。從圖1中可以看出，采用同樣的時(shí)效時(shí)間，當(dāng)在360℃以下時(shí)，時(shí)效溫度對(duì)硬度的影響程度較小，而在360～480℃時(shí)效范圍內(nèi)，硬度（HRC）會(huì)隨時(shí)效溫度的增加而逐漸上升，480～540℃硬度（HRC）有所下降，但幅度較小。另外，采用同樣的時(shí)效熱處理制度，方案一試樣硬度值相對(duì)較高，方案二試樣次之，而原材料試樣硬度值最小。從圖1中還可以看出，在室溫下，旋壓加工對(duì)T250鋼的硬度影響不大，旋壓前后其硬度值基本不變化?？梢?jiàn)，塑性變形對(duì)該材料冷作硬化效果不明顯。

T250鋼原材料經(jīng)過(guò)三道次連續(xù)旋壓以及中間增加固溶處理的旋壓件的抗拉強(qiáng)度和延伸率與時(shí)效溫度的關(guān)系如圖2所示，抗拉強(qiáng)度和延伸率值為兩個(gè)試樣的平均值。從圖2可以看出，與硬度值變化趨勢(shì)相近，采用同樣的時(shí)效時(shí)間，當(dāng)在360℃以下時(shí)，時(shí)效溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響程度較小，而在360～480℃時(shí)效范圍內(nèi)，強(qiáng)度值會(huì)隨時(shí)效溫度的增加而迅速上升，480～540℃強(qiáng)度值有所下降，但幅度較小。同樣，在同樣時(shí)效處理制度下，方案一試樣強(qiáng)度值相對(duì)較高，方案二試樣次之，而原材料試樣強(qiáng)度值最低。但三類試樣相差幅度并不大，由此可以看出塑性變形對(duì)T250鋼的冷作硬化效果影響非常小。對(duì)應(yīng)的延伸率值則剛好與強(qiáng)度及硬度值情況表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，并且在360～480℃時(shí)效范圍內(nèi)，延伸率值迅速下降。

討論分析

金屬材料的機(jī)械性能取決于在塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)滑移的難易程度。如前所述，馬氏體時(shí)效鋼在820℃固溶處理后空冷或水冷即可形成高密度位錯(cuò)的板條馬氏體組織，但由于沒(méi)有第二相粒子對(duì)位錯(cuò)釘扎作用，因而此時(shí)的馬氏體時(shí)效鋼強(qiáng)度并不高但塑性很好，適于冷塑性加工。當(dāng)時(shí)效溫度小于360℃時(shí)，由于溫度偏低，基體組織中Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo等強(qiáng)化相在晶界和位錯(cuò)處開(kāi)始形核長(zhǎng)大，但強(qiáng)化相粒子尺寸極度微小，且析出量也很少，強(qiáng)化相粒子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用較小，因而硬度、強(qiáng)度和延伸率值變化不大。隨著時(shí)效溫度逐步升高（360～480℃），基體組織中Ni3Ti等強(qiáng)化相析出量逐漸增多并由極度細(xì)小的球狀長(zhǎng)大為針狀或棒狀，變得與基體半共格，使位錯(cuò)線繞過(guò)強(qiáng)化相所需的應(yīng)力進(jìn)一步增大，當(dāng)強(qiáng)化相長(zhǎng)大到臨界尺寸15b（b：位錯(cuò)的布氏矢量模）時(shí)，位錯(cuò)線不能繞過(guò)強(qiáng)化相粒子而形成析出相釘扎位錯(cuò)，對(duì)高密度位錯(cuò)、位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)以及馬氏體板條界的移動(dòng)起到釘扎和阻礙作用，此時(shí)材料強(qiáng)度達(dá)到最大值，而延伸率降至最小值。當(dāng)時(shí)效溫度進(jìn)一步升高（480～540℃），析出相Ni3Ti長(zhǎng)大，粒子間距增加并發(fā)生部分溶解，加上局部的Ni、Mo、Ti等元素偏析，出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)變奧氏體。在一定溫度范圍內(nèi)，時(shí)效溫度越高，馬氏體中出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)變奧氏體越多，使得材料強(qiáng)度下降，而延伸率升高。對(duì)于在同樣時(shí)效處理制度下，方案一試樣強(qiáng)度值相對(duì)較高，方案二試樣次之，而原材料試樣強(qiáng)度值最低。我們分析認(rèn)為：

（1）T250鋼原材料經(jīng)過(guò)旋壓加工后，材料內(nèi)部粗大晶粒被碾壓擠碎，晶粒得到細(xì)化，增大了晶界數(shù)量，增大的位錯(cuò)移動(dòng)的阻力；（2）旋壓加工的大變形使得基體中位錯(cuò)密度和數(shù)量大幅度增加；（3）旋壓加工的大變形使得基體中強(qiáng)化相粒子的形核部位增多，在時(shí)效過(guò)程中使得強(qiáng)化相粒子的析出量迅速增多，進(jìn)一步阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)。

對(duì)于方案一與方案二試樣的性能差別，主要是因?yàn)闀r(shí)效前的旋壓變形程度不一樣造成的。方案一試樣的旋壓減薄量達(dá)到87%以上（8.5mm旋壓至1.1mm，實(shí)際壓下量高達(dá)7.4mm），而方案二試樣的旋壓減薄量為71%（3.8mm旋壓至1.1mm，實(shí)際壓下量?jī)H為2.7mm）。相比較而言，方案一試樣的旋壓變形程度較大，因而對(duì)材料強(qiáng)度、延伸率性能的影響相對(duì)更大一些。

結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明T250鋼材料具有良好的可旋性，減薄率可達(dá)到80%上，其抗拉強(qiáng)度增幅不大，但延伸率有較顯著的降低；旋壓減薄率對(duì)T250鋼材料時(shí)效處理后的性能，尤其是延伸率的影響較大；經(jīng)480℃＋3h時(shí)效處理后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1900MPa以上，但延伸率則均小于0.03；在精旋之前增加固溶處理后，所旋壓成形的試樣經(jīng)過(guò)540℃＋3h的時(shí)效處理，可獲得較為合理的強(qiáng)度與延伸率。