，，，，

(西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，西安 710055)

0 引 言

40CrNiMo鋼是一種中碳Cr-Ni-Mo系鋼，其綜合力學(xué)性能較好、淬透性高、抗過熱穩(wěn)定性強(qiáng)、韌性好、生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于制造受沖擊載荷較高、斷面尺寸較大的零部件，如汽輪機(jī)和噴氣式客機(jī)的起落架、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、噴氣渦輪機(jī)軸及其他結(jié)構(gòu)部件等[1-2]。變形抗力是材料在高溫下的基本屬性，受變形溫度、變形程度、應(yīng)變速率和材料化學(xué)成分的影響，同時(shí)也是材料顯微組織演變的綜合反映[3]，因此研究材料的熱變形特征是非常重要的。熱變形過程中發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)回復(fù)和超塑性行為均有利于材料的加工，尤其是發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域的變形耗散效率較高，該區(qū)域?qū)?yīng)的變形溫度和變形速率更有助于材料的均勻變形和獲得預(yù)期的組織[4]。根據(jù)變形抗力的影響因素，變形抗力模型可分為兩種：一種為涉及熱激活、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等微觀機(jī)制的變形抗力模型；另一種為直接考慮變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變等宏觀物理量對(duì)流變應(yīng)力影響的變形抗力模型[5]。通過對(duì)金屬塑性變形理論的研究和鋼變形抗力模型的分析比較[6-13]，發(fā)現(xiàn)特列齊亞可夫·久津模型[12]和周紀(jì)華-管克智模型[13]的發(fā)展較為成熟。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)40CrNiMo鋼熱變形特征和變形抗力模型的研究鮮有報(bào)道。因此，作者采用Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)40CrNiMo鋼進(jìn)行了單道次熱壓縮試驗(yàn)，得到了該鋼在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析變形溫度、應(yīng)變速率對(duì)其熱變形組織的影響；用特列齊亞可夫·久津模型、周紀(jì)華-管克智模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作線性回歸建立了40CrNiMo鋼的變形抗力模型，為40CrNiMo鋼熱變形工藝的制定提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為40CrNiMo鋼，由某特鋼公司提供，化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)鋼在電爐冶煉后鑄成鋼錠，將鋼錠開坯加熱、保溫、鍛后坑冷，然后在DK7740C型數(shù)控電火花線切割機(jī)床上切成尺寸為φ10 mm×15 mm的熱壓縮試樣。

表1 40CrNiMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 40CrNiMo steel (mass) %

在Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行單道次熱壓縮試驗(yàn)。先將試樣以10 ℃·s-1的升溫速率加熱到1 150 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃·s-1的降溫速率將試樣冷卻到800，900，1 000，1 110 ℃，保溫30 s后分別以0.1，1，10，50 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形，變形量為60%，壓縮變形結(jié)束后立即水冷，以保留不同溫度下的變形組織。

沿試樣壓縮方向縱向剖開，經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后，將試樣浸泡于75 ℃的由50 mL過飽和苦味酸水溶液和3 mL餐具洗潔精組成的混合溶液中，以顯示其原奧氏體晶界，采用GX51 Olympus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 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制的角度考慮，將金屬材料在熱變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為動(dòng)態(tài)回復(fù)型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型[14-15]。由圖1可以看出：當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，變形溫度在800～900 ℃時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為動(dòng)態(tài)回復(fù)型，變形溫度在1 000～1 100 ℃時(shí)的為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型；當(dāng)變形溫度為1 000 ℃時(shí)，應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型，應(yīng)變速率為1～50 s-1時(shí)的為動(dòng)態(tài)回復(fù)型；當(dāng)應(yīng)變速率為50 s-1時(shí)，高的應(yīng)變速率使得加工硬化與動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的競(jìng)爭(zhēng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。由于熱模擬試驗(yàn)機(jī)的局限性，未得到變形溫度1 100 ℃、應(yīng)變速率50 s-1條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖1還可以看出，在熱壓縮過程中，隨著應(yīng)變的增大試驗(yàn)鋼歷經(jīng)加工硬化、流變軟化、穩(wěn)態(tài)流變、再次加工硬化等4個(gè)階段。在變形初期，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而迅速增大，試驗(yàn)鋼發(fā)生加工硬化，這是因?yàn)榇藭r(shí)外加應(yīng)力使組織中的位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)滑移受到阻礙而造成的；當(dāng)變形程度較低時(shí)，隨應(yīng)變的增加，流變應(yīng)力緩慢增大至峰值，該階段為流變軟化階段，此時(shí)晶粒內(nèi)部的儲(chǔ)存能較小，試驗(yàn)鋼僅發(fā)生了輕微的動(dòng)態(tài)回復(fù)，加工硬化作用遠(yuǎn)大于軟化作用；隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，流變應(yīng)力趨于平穩(wěn)，此時(shí)組織中的位錯(cuò)密度繼續(xù)增大，位錯(cuò)發(fā)生滑移和攀移，在變形激活能的作用下，加工硬化與動(dòng)態(tài)回復(fù)軟化逐漸趨于平衡，或是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)軟化過程與加工硬化過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段；隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，由于位錯(cuò)的增殖，加工硬化作用大于軟化作用，流變應(yīng)力開始略微增加，試驗(yàn)鋼出現(xiàn)再次加工硬化現(xiàn)象[16]。

2.2 顯微組織

2.2.1 變形溫度的影響

圖1 試驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of the tested steel at different strain rates and deformation temperatures

圖2 應(yīng)變速率為10 s-1時(shí)不同變形溫度下試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of the tested steel at different deformation temperatures and strain rate of 10 s-1

由圖2可以看出：當(dāng)變形溫度為800 ℃時(shí)，原奧氏體晶粒沿著變形方向被明顯拉長(zhǎng)，晶界處出現(xiàn)少量的鏈條狀再結(jié)晶晶粒，即試驗(yàn)鋼僅發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，大部分晶粒處于動(dòng)態(tài)回復(fù)狀態(tài)；當(dāng)變形溫度為900 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼中出現(xiàn)大量再結(jié)晶晶粒，但仍存在少量未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的粗大原奧氏體晶粒，這是由于隨著變形溫度(800 ～900 ℃)的升高，合金元素在奧氏體中的固溶度增大，晶界附近析出的碳化物減少，導(dǎo)致阻礙動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的能力逐漸減弱，從而形成更多的再結(jié)晶晶粒；當(dāng)變形溫度在1 000～1 100 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而且隨著變形溫度的升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。在相同應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，合金元素的擴(kuò)散速率增大，原子間的結(jié)合能降低，位錯(cuò)滑移、攀移所需的能量降低，變形儲(chǔ)能增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的孕育期縮短，晶粒長(zhǎng)大的時(shí)間變長(zhǎng)，因此試驗(yàn)鋼的再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。

2.2.2 應(yīng)變速率的影響

由圖3可以看出：當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，原奧氏體晶粒發(fā)生明顯的塑性變形，晶粒內(nèi)及晶界附近出現(xiàn)少量的變形帶，未出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒；當(dāng)應(yīng)變速率為1～50 s-1，沿原奧氏體晶界分布的鏈條狀再結(jié)晶晶粒增多，這是由于較高的應(yīng)變速率使原奧氏體晶粒在很短時(shí)間內(nèi)累積了大量的位錯(cuò)、變形帶等缺陷，加工硬化效果減弱，形成的位錯(cuò)塞積、交割等進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)滑移，增加了形變儲(chǔ)能，導(dǎo)致再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力增加而造成的。

圖3 變形溫度為800 ℃時(shí)不同應(yīng)變速率下試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of the tested steel at different strain rates and deformation temperature of 800 ℃

2.3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能和Zener-Honomon參數(shù)

Zener-Honomon參數(shù)可描述在熱變形過程中不同峰值應(yīng)力下，變形溫度與應(yīng)變速率之間的關(guān)系[17-18]，其表達(dá)式為

(1)

式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，整理可得

(2)

(3)

當(dāng)變形速率一定時(shí)，式(2)兩邊對(duì)1/T求偏導(dǎo)數(shù)，可得

(4)

綜上可知，40CrNiMo鋼的Zener-Honomon參數(shù)可以表示為

(5)

2.4 變形抗力模型的建立

周紀(jì)華-管克智模型為

(6)

T′=(t+273)/1 000

(7)

式中：σ為變形抗力，MPa;t為變形溫度，℃；σ0為變形溫度為1 000 ℃、應(yīng)變?yōu)?.4、應(yīng)變速率為10 s-1時(shí)的變形抗力，MPa；a1，a2，a3，a4，a5，a6均為材料常數(shù)。

圖4 試驗(yàn)鋼和σp-1/T的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of and σp-1/T of the tested steel

特列齊亞可夫·久津模型為

(8)

式中：A，a，b，c，d均為材料常數(shù)；ε為應(yīng)變。

根據(jù)式(6)與式(8)中變形抗力與變形溫度、應(yīng)變、應(yīng)變速率之間的關(guān)系，對(duì)圖1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，得到式(6)和式(8)中的材料常數(shù),如表2和表3所示。

表2 式(6)中材料常數(shù)的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of material constant in equation (6)

表3 式(8)中材料常數(shù)的擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of material constant in equation (8)

將表2和表3中的材料常數(shù)分別代入式(6)和式(8)，再將應(yīng)變代入式(6)和式(8)，得到變形抗力的計(jì)算值，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)：周紀(jì)華-管克智模型計(jì)算得到的變形抗力的最大相對(duì)誤差為15.29%，平均相對(duì)誤差為4.82%；特列齊亞可夫·久津模型型計(jì)算得到的變形抗力的最大相對(duì)誤差為28.39%，平均相對(duì)誤差為6.85%。由此可知，周紀(jì)華-管克智模型更能準(zhǔn)確地描述40CrNiMo鋼熱變形時(shí)不同參數(shù)之間的關(guān)系，可為實(shí)際生產(chǎn)過程中軋制壓力的確定提供參考。

綜上可知，40CrNiMo鋼的變形抗力模型可表示為

σ=169.70exp(-2.360 0T′+3.074 4)×

(9)

3 結(jié) 論

(1) 在較低的應(yīng)變速率(0.1 s-1)和較高的變形溫度(1 000～1 100 ℃)下，試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型；當(dāng)應(yīng)變速率為50 s-1時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的波動(dòng)；在熱壓縮過程中，隨應(yīng)變的增大，試驗(yàn)鋼依次出現(xiàn)了加工硬化、流變軟化、穩(wěn)態(tài)流變、再次加工硬化等4個(gè)過程。

(2) 當(dāng)變形溫度為800 ℃時(shí)，應(yīng)變速率的增大使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒增多；在應(yīng)變速率為10 s-1條件下，當(dāng)變形溫度由800 ℃升至900 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒增多，當(dāng)變形溫度為1 000 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，當(dāng)變形溫度為1 100 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。

(3) 試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能為322.53 kJ·mol-1；應(yīng)變速率為0.1～50 s-1、變形溫度為800～1 100 ℃條件下，由周紀(jì)華-管克智模型計(jì)算形抗力的平均相對(duì)誤差為4.82%,由特列齊亞可夫·久津模型得到的為6.85%，周紀(jì)華-管克智模型的精度更高。