蘇新生，徐文帥，黃順喆，王春旭，厲 勇

（1.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412005；2.鋼鐵研究總院特殊鋼研究所，北京 100081；3.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，安順 561005）

0 引 言

40CrNi2MoE鋼是一種典型的優(yōu)質(zhì)低合金超高強(qiáng)度鋼，是制造飛機(jī)起落架和其他主要結(jié)構(gòu)部件的關(guān)鍵材料[1]。關(guān)于這種鋼的研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[2－5]，這些研究主要集中在組織相變、疲勞斷裂性能以及鋼中氫脆等方面，但關(guān)于其熱變形行為還鮮有報(bào)道。為此，作者采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)40CrNi2MoE鋼進(jìn)行了高溫軸向單道次壓縮變形試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了其熱變形行為，并對(duì)變形后的顯微組織進(jìn)行了分析，為其熱加工工藝的制定和優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用40CrNi2MoE鋼棒材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.41C，0.78Mn，0.25Si，0.000 6P，0.001S，0.85Cr，1.80Ni，0.25Mo，0.000 6O，0.001 0N。從棒材上切取并加工成Ф8 mm×15 mm的圓柱形壓縮試樣，然后在Gleeble-3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫軸向單道次壓縮試驗(yàn)。試樣先以10 K·s-1的加熱速率加熱到1 423 K，保溫5 min，然后以10 K·s-1的冷卻速率冷卻到不同的變形溫度（1 123，1 223，1 323，1 423 K），保溫5 s后進(jìn)行壓縮變形；其應(yīng)變速率分別為0.01，0.1，1，10 s－1，最大真應(yīng)變?yōu)?.9，變形后立刻噴水冷卻，以便保留高溫變形后的晶界。用線切割機(jī)把熱壓縮試樣沿壓縮方向從中間剖開，磨平、拋光后，使用飽和苦味酸＋少量海鷗洗劑混合溶液來腐蝕，顯示奧氏體晶界，用LEICA MEF4M型光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高溫流變曲線及變形組織

從圖1中可以看出，在不同的變形條件下，40CrNi2MoE鋼的高溫流變曲線表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型[6]兩種類型，主要是以動(dòng)態(tài)回復(fù)型為主。在高溫變形過程中，40CrNi2MoE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)變速率的增大而提高。在應(yīng)變速率相同的條件下，變形溫度越高，動(dòng)態(tài)軟化速率越快，因而動(dòng)態(tài)軟化程度越大，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)力和應(yīng)變也隨著變形溫度的升高而逐漸減小[7]。在變形溫度相同的條件下，40CrNi2MoE鋼的加工硬化率、峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力也隨應(yīng)變速率的增大而升高。

圖1 在不同變形條件下40CrNi2MoE鋼的高溫流變曲線Fig.1 High temperature flow stress curves of 40CrNi2MoE steel under different deformation conditions

從圖1中還可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s-1，變形溫度高于1 123 K時(shí)，40CrNi2MoE鋼的流變曲線出現(xiàn)應(yīng)力峰，表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型曲線的特征；當(dāng)應(yīng)變速率提高到0.1 s-1和1 s-1時(shí)，只有當(dāng)變形溫度分別高于1 223 K和1 323 K時(shí)，40CrNi2MoE鋼的高溫流變曲線才表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型。由此可見，隨著應(yīng)變速率的提高，其發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度也逐漸升高。而當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到10 s-1時(shí)，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，40CrNi2MoE鋼的高溫流變曲線只表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)型。對(duì)于具有較高的加工硬化率的金屬，在高溫變形過程中，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)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而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，即曲線上出現(xiàn)峰值。所以，從40CrNi2MoE鋼的高溫流變曲線上還不能完全斷定其是否發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，還必須借助于顯微組織觀察加以分析。

由圖2可以看到，當(dāng)以0.01 s-1的應(yīng)變速率在1 123 K下發(fā)生0.9的真應(yīng)變后，其組織已經(jīng)發(fā)生部分再結(jié)晶；而當(dāng)其它條件不變，變形溫度升高到1 223 K后，組織中基本上都為等軸的再結(jié)晶晶粒，說明40CrNi2MoE鋼發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)應(yīng)變速率提高為1 s-1時(shí)，其發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度也提升到1 223 K之上；而當(dāng)應(yīng)變速率提高為10 s-1時(shí)，變形溫度只有達(dá)到1 323 K之上40CrNi2MoE鋼才能發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。變形溫度相同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸變?。粦?yīng)變速率相同時(shí)，隨著變形溫度的升高，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸變大。

2.2 塑性變形本構(gòu)方程

金屬材料的高溫流變應(yīng)力與材料化學(xué)成分、變形溫度T、應(yīng)變速率ε以及應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)，在材料化學(xué)成分不變時(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[8-10]：

圖2 不同變形條件下40CrNi2MoE鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of 40CrNi2MoE steel under different deformation conditions

式中：R為氣體常數(shù)；Q為控制軟化過程的激活能；A，n，α為相關(guān)常數(shù)。

在低應(yīng)力時(shí)，式（1）可簡(jiǎn)化為：

在高應(yīng)力時(shí)，式（1）可簡(jiǎn)化為：

其中，常數(shù)α，β及n'之間滿足α=β/n'。對(duì)式(2)和(3)兩邊分別取對(duì)數(shù)并整理得到：

將圖1的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)按式（4）和（5）處理得到圖3所示的應(yīng)力(或峰值應(yīng)力σp)和應(yīng)變速率之間的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，和關(guān)系曲線都近似呈線性，通過線性回歸分析可得：β=0.069 31MPa-1，n'=7.5 264，進(jìn)而計(jì)算得α=β/n '≈0.009 2 MPa-1。

圖3 40CrNi2MoE鋼峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak stress and strain rate of 40CrNi2MoE steel

圖4 40CrNi2MoE鋼lnsinh(ασp)-ln及l(fā)nsinh(ασp)-1/ T的關(guān)系曲線Fig.4 lnsinh(ασp)-lncurves(a) and lnsinh(ασp)-1/ T curves(b) of 40CrNi2MoE steel

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（6）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)，可得峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和變形溫度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。通過線性回歸，可得出：A＝1.5 636×1013；n＝5.567 9，Q＝333.726 kJ·mol-1。將上述結(jié)果代入式（1）中，可以確立40CrNi2MoE鋼的高溫塑性變形本構(gòu)方程為：

2.3 Zener-Hollomon因子

Z參數(shù)（Zener-Hollomon因子）被廣泛用以表征變形溫度與應(yīng)變速率對(duì)熱變形過程的綜合作用。在熱變形過程中，變形溫度、變形速率與Z參數(shù)的關(guān)系式如下[11]：

將式（10）帶入式（1）中可得：

Z=A[sinh(ασ)]n（11）

故40CrNi2MoE鋼的Z參數(shù)表達(dá)式為：

Z=1.563 6×1013[sinh(0.009 2σ)]5.5679（12）

通過已求得的激活能，便可以計(jì)算得到不同變形條件下40CrNi2MoE鋼的Z參數(shù)。由圖5可以看出，隨著Z值的增加，40CrNi2MoE鋼熱變形過程中的峰值應(yīng)力相應(yīng)增加，且lnZ與lnsinh(α σpp)呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.991。

40CrNi2MoE鋼在表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型流變曲線的條件下，它的峰值應(yīng)力應(yīng)變?chǔ)舙與Z參數(shù)的自然對(duì)數(shù)之間也存在較好的線性關(guān)系，見圖5（b）所示。從圖中可以看出，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變值隨著Z參數(shù)的增大而增加，也就是說Z參數(shù)越大，試驗(yàn)鋼發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶將越困難，峰值應(yīng)變?chǔ)舙和lnZ的線性關(guān)系式為：

εp=0.054lnZ-1.15 （13）

圖5 40CrNi2MoE鋼lnsinh(ασp)-lnZ和εp-lnZ的關(guān)系曲線Fig.5 lnsinh(ασp)-lnZ curve(a) and εp-lnZ curve(b)of 40CrNi2MoE steel

3 結(jié) 論

（1）在真應(yīng)變?yōu)?.9，變形溫度為1 123 K～1 423 K和應(yīng)變速率為0.01～10 s-1的條件下，40CrNi2MoE鋼的高溫流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小，隨著應(yīng)變速率的提高而增大。

（2）隨著應(yīng)變速率的提高，40CrNi2MoE鋼發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界溫度逐漸升高，當(dāng)應(yīng)變速率為10 s-1時(shí)，變形溫度高于1 323 K，才會(huì)發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，隨著Z參數(shù)值增大，40CrNi2MoE鋼發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶將越困難，同時(shí)峰值應(yīng)力應(yīng)變隨之增加，40CrNi2MoE鋼峰值應(yīng)變?chǔ)舙與Z參數(shù)之間滿足εp=0.054lnZ-1.15。

（3）在溫度為1 123～1 423 K和應(yīng)變速率為0.01～10 s-1的條件下，40CrNi2MoE鋼的熱變形激活能為333.726 kJ·mol-1，其高溫塑性變形本構(gòu)方程為

[1]柳木桐，劉建華，鐘平.超高強(qiáng)度鋼耐蝕性能的研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010，28(9)：112-113.

[2]趙洪壯，LEE Y K，劉相華，等.AISI 4340鋼馬氏體相變的研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（6）：650-653

[3]劉文言，曲敬信，邵荷生.奧氏體-貝氏體復(fù)相組織疲勞斷裂性能研究[J].機(jī)械工程材料，1997，21（2）∶27-29.

[4]郭海丁，田錫唐.塑性形變對(duì)4340鋼中氫的富集及傳輸行為影響[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1995（1）∶47-52.

[5]馬利，鄭津洋，胡洋，等.AISI4340鋼的絕熱剪切與動(dòng)態(tài)失效準(zhǔn)則[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31（1）：79-82.

[6]SELLARS C M.Recrystallization of metals[J].Metals Forum,1981，4(1/2)∶75-80.

[7]ZHANG Bei-jiang，ZHAO Guang-pu，JIAO Lan-ying，et a1.Influence of hot working process on microstructures of superalloy GH4586[J].Acta Metallurgica Sinica,2005,41(4)∶351-356.

[8]FARAG M M,SELLARS C M.Flow stress in hot extrusion of commercial-purity aluminum[J].Journal of the Institute of Metals,1973,101(5)∶137-145.

[9]JONAS J J,SELLARS C M,TEGART W J.Strength and structure under hot working conditions[J].Int Met Rev,1969,130 (14)∶1-24.

[10]ZENER C，HOLLOMOM J H.Effect of strain rate upon the plastic flow of steel［J］.Appl Phys,1944,15(1)：22-32.

[11]MEDINA S F,HERNANDEZ C A.General expression of Zener-Hollomon parameter as a function of the chemical composition of low alloy and microally steels[J].Acta Materialia,1996,44(1)∶137-148.