趙 博,許廣興,厲 勇,王 瑞
(1. 中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110035;2. 鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所,北京 100081;3. 撫順特殊鋼股份有限公司,撫順 113001)
Aermet100鋼屬于二次硬化型超高強(qiáng)度鋼,具有很高的綜合力學(xué)性能,突出體現(xiàn)在強(qiáng)度和斷裂韌性匹配、優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕斷裂和抗疲勞裂紋斷裂能力。廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域軍事裝備中的重要構(gòu)件的制造,被認(rèn)為是下一代飛機(jī)關(guān)鍵零部件和起落架的首選材料[1]。美國F-18、F-22和F-35飛機(jī)的起落架就采用Aermet100鋼制造。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)Aermet100鋼的化學(xué)成分[2-3]、組織性能[4-6]、熱變形行為以及零件加工制造工藝[7-10]進(jìn)行了系統(tǒng)研究,但對(duì)大規(guī)格棒材制坯工藝報(bào)道較少。
制坯工藝的主要目的是將粗大的鑄態(tài)柱狀晶粒碎化,并轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鍛態(tài)等軸晶粒。在以鐓粗、拔長組合的制坯過程中,由于熱力學(xué)因素、變形及原始組織的不均勻性,容易造成制坯后的組織不均勻,從而對(duì)后續(xù)零件的成型鍛造組織和力學(xué)性能產(chǎn)生直接影響。大規(guī)格棒材心部難以變形且降溫緩慢,所以大規(guī)格棒材制坯的核心問題是避免心部組織由于存在變形不充分區(qū)域,或者由于過度溫升,而導(dǎo)致的混晶。研究鋼錠微觀組織在制坯過程的演變機(jī)制及規(guī)律成為消除混晶的關(guān)鍵技術(shù)。所以本文研究了大規(guī)格棒材制坯工藝對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律,并分析了影響機(jī)理,從而為高質(zhì)量、大規(guī)格棒材的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持和工藝基礎(chǔ)。
針對(duì)φ660mm真空自耗鋼錠鍛造成φ400mm大規(guī)格棒材的工藝參數(shù)進(jìn)行研究。試驗(yàn)用料為撫順特鋼雙真空冶煉的Aermet100鋼錠,力學(xué)性能檢測(cè)時(shí)Aermet100鋼試樣采用的熱處理工藝為:預(yù)備熱處理制度900 ℃保溫1H 后空冷,再加熱到680 ℃保溫8H后空冷;最終熱處理制度為885℃保溫1H后油淬,-73℃保溫1H后空氣中回溫到室溫,再加熱到482℃保溫5H空冷。
鍛造加熱溫度對(duì)微觀組織影響試驗(yàn)選用φ80mm鋼棒,鍛拔成φ15mm試樣棒材,20mm長的試樣毛坯件,鍛后試樣件的初始晶粒度為9.5級(jí)。
金相組織用4%的硝酸酒精腐蝕,在Olympus GX51型金相顯微鏡上觀察采集金相照片。
為了研究鍛造變形比對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響,對(duì)Aermet100鋼墩粗過程進(jìn)行模擬。因?yàn)殇撳V鍛造過程中金屬材料產(chǎn)生較大塑性變形,彈性變形相對(duì)極少,可忽略不計(jì)。因此采用剛塑性材料模型,其對(duì)應(yīng)的塑性有限元法即為剛塑性有限元法。設(shè)定的初始溫度為1150℃,變形速率為0.1s-1。
制坯加熱溫度除了影響變形溫度外,對(duì)形變前的原始晶粒尺寸影響顯著。圖1是加熱溫度對(duì)晶粒度的影響。當(dāng)加熱溫度大于1000℃時(shí),晶粒度迅速長大。這是因?yàn)锳ermet100鋼純凈度很高,鋼中的第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量較少,由于缺少第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)奧氏體晶界的釘扎作用,當(dāng)加熱溫度高于1000℃,奧氏體晶粒容易迅速粗化。
形變前的原始晶粒尺寸越細(xì)小,形變時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò)密度越高,形變儲(chǔ)存能將越大,再結(jié)晶溫度則越低。原始晶粒尺寸越細(xì)小,晶界總面積越大,在形變后能提供更多的形核場(chǎng)所,再結(jié)晶時(shí)的形核率更大,使再結(jié)晶速度加快,因而所形成的再結(jié)晶晶粒越細(xì)小。此外,原始晶粒尺寸越細(xì)小,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界形變量越小,再結(jié)晶越易發(fā)生。靜態(tài)再結(jié)晶時(shí)間受晶粒尺寸的影響顯著,隨原始晶粒尺寸的減小,靜態(tài)再結(jié)晶時(shí)間將迅速地縮短。因此多次墩拔時(shí),應(yīng)該逐漸降低每火次的加熱溫度,最后一火的加熱溫度應(yīng)該低于1000℃。
圖1 加熱溫度對(duì)晶粒度的影響(保溫1h)Fig.1 Influence of heating temperature on the grain sizes
圖2是在變形經(jīng)1200℃均質(zhì)化處理的原始晶粒度為2級(jí),圖2是變形溫度對(duì)心部顯微組織的影響。當(dāng)變形溫度較低為850~900℃時(shí),Aermet100鋼的顯微組織全部為拉長的變形晶粒,此時(shí)僅發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù),粗晶沒有明顯的破碎。變形溫度為950℃的顯微組織與900℃的顯微組織相似,但是在變形晶粒的晶界處有細(xì)小等軸的晶粒出現(xiàn),這是由于在這些區(qū)域發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而形成了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。隨著變形溫度的升高,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不斷發(fā)生,1000℃形成了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。1050℃時(shí)已發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,溫度繼續(xù)升高,完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸增大。雖然1100℃比1050℃時(shí)晶粒長大,但適當(dāng)?shù)拈L大有利于消除混晶。1150℃時(shí)晶粒迅速粗化,混晶現(xiàn)象反而嚴(yán)重。
圖3和圖4是在不同變形溫度下,應(yīng)變速率對(duì)試樣顯微組織的影響??梢钥闯鼋M織隨應(yīng)變速率變化規(guī)律相似。在低于950℃主要為拉長狀的變形晶粒,此時(shí)軟化機(jī)制主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主。變形溫度提高到1100℃時(shí),在所有試驗(yàn)變形速率下,都將發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
圖2 變形溫度對(duì)顯微組織的影響(變形量55%,應(yīng)變速率0.1s-1)Fig.2 Influence of temperature on the microstructure
圖3 應(yīng)變速率對(duì)顯微組織的影響(變形溫度950℃)Fig.3 Influence of strain rate on the microstructure
圖4 應(yīng)變速率對(duì)顯微組織的影響(變形溫度1100℃)Fig.4 Influence of strain rate on the microstructure
Aermet100鋼在熱鍛細(xì)化晶粒的過程中,應(yīng)選用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶兩種機(jī)制相結(jié)合,達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。即選擇在發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域進(jìn)行鐓拔,這樣在鐓拔過程中發(fā)生了部分再結(jié)晶晶粒得到了細(xì)化,同時(shí)未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的變形晶粒在鐓拔的間隙過程中會(huì)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶,晶粒又進(jìn)一步得到細(xì)化。同時(shí)由于發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,基體內(nèi)部的形變儲(chǔ)能得到了部分的釋放,避免了部分大畸變晶粒的存在,因此隨后發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶過程中,也能在一定程度上避免晶粒異常長大現(xiàn)象的發(fā)生。在較高的變形溫度下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸較大,其細(xì)化晶粒的效果將會(huì)變得不明顯,此時(shí)即使變形量加大,其晶粒細(xì)化效果也很弱。另外,發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的區(qū)域?yàn)闊峒庸さ陌踩珔^(qū)域,在低溫區(qū)域的大變形,可能會(huì)導(dǎo)致材料在第二相粒子處形成微孔或晶界處的楔型開裂。因此Aermet100鋼鐓拔過程中的溫度區(qū)間應(yīng)控制在950~1100℃之間。
表1是不同變形溫度下的力學(xué)性能,當(dāng)變形溫度在980~1100℃時(shí),晶粒度細(xì)小,所以斷裂韌度較高;在1150℃時(shí)晶粒粗大,出現(xiàn)混晶,斷裂韌度顯著降低。試驗(yàn)結(jié)果和通過微觀組織得到的加熱溫度相吻合。
表1 變形溫度對(duì)力學(xué)性能的影響
墩粗的主要作用是引起心部變形,拔長的主要作用是引起外部變形。而大規(guī)格棒材主要的問題是心部變形不充分和組織不均勻?qū)е铝W(xué)性能降低。因此基于剛塑性有限元法,對(duì)Aermet100鋼大規(guī)格棒材的墩粗過程溫度場(chǎng)模擬如圖5所示。墩粗過程中,隨著變形程度增大,鋼錠的中間部位和心部產(chǎn)生形變,并伴隨形變潛熱的釋放導(dǎo)致溫升;而頭尾部的溫度變化較小。較大的變形量既可以細(xì)化晶粒,同樣可能引起心部溫升和變形儲(chǔ)能增加,在后續(xù)的加熱過程中因部分晶粒過度長大而導(dǎo)致粗晶或混晶。
采用3墩3拔,不同變形比對(duì)棒材力學(xué)性能的影響如表2所示。鋼錠的變形比之和越大,鋼錠變形越均勻,越有利于大規(guī)格棒材的力學(xué)性能的提高。當(dāng)變形比之和大于20時(shí),斷裂韌性KIC值顯著提高。
圖5 變形量對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響Fig.5 Influence of strain on the temperature field
在總變形比為17.0的情況下,同一火次下不同加工變形量對(duì)力學(xué)性能的影響如表3所示。在總變形比一定的情況下,過度增加鋼錠一火次的變形量,不利于晶粒度和力學(xué)性能的提高。
表2 不同變形比對(duì)力學(xué)性能的影響(平均值)
表3 同一火次變形量對(duì)力學(xué)性能的影響(平均值)
(1)棒材鍛造過程中,晶粒細(xì)小有利于獲得更高的斷裂韌度。細(xì)化晶粒度的途徑主要是將鍛造加工溫度控制在再結(jié)晶區(qū)間和增大總變形比。
(2) 根據(jù)Aermet100鋼熱變形及鍛后的再結(jié)晶規(guī)律,鐓拔過程的溫度范圍應(yīng)控制在950~1100℃,終鍛溫度控制在950~1000℃。
(3)為了獲得較高的斷裂韌度,大規(guī)格棒材的鍛造變形比之和應(yīng)大于20。
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