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(zhǎng)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)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

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(zhǎng)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。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鍛造加熱溫度對(duì)微觀組織的影響

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(zhǎng)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

2.2 鍛造變形溫度對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響

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(zhǎng)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(zhǎng)大，但適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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

2.3 鍛造變形比對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響

墩粗的主要作用是引起心部變形，拔長(zhǎng)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(zhǎng)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）

3 結(jié)論

（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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