(1.海軍駐沈陽地區(qū)航空軍事代表室，遼寧110034；2.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618013；3.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南410006)

AF1410鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的抗疲勞性能和抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，是航空大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)用模鍛件的重要選材。在模鍛成形過程中，變形速度、溫度和變形程度等對材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度及晶粒大小影響極大，進(jìn)而影響構(gòu)件的后續(xù)熱處理工藝及使用性能。在前期AF1410鋼熱變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變行為研究[1]基礎(chǔ)上，本文將進(jìn)一步開展合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為研究，構(gòu)建動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型，為材料熱成形過程的組織預(yù)測和工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的建立

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型包括動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模型以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型，根據(jù)AF1410鋼本征特性及前期熱壓縮模擬試驗(yàn)結(jié)果[1]，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型如下：

1.1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型

低層錯(cuò)能的AF1410鋼在熱變形中以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，一般情況下，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變值與變形溫度、應(yīng)變速率、變形激活能以及變形前的初始晶粒度有關(guān)，臨界應(yīng)變和峰值應(yīng)變的關(guān)系[2]可以表示為：

εc=αεp(1)

式中，α為材料常數(shù)，通常情況其數(shù)值取0.83；εp為峰值應(yīng)變，即變形過程中流變應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變量，而峰值應(yīng)變模型[3]可由下式表示：

(2)

由于d0為定值，則可令a1d0n1=A1。對式(2)取自然對數(shù)可得：

(3)

(4)

εc=0.83εp(5)

1.2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型是用于描述金屬材料熱變形過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與應(yīng)變之間的關(guān)系，基于Johnson-Mehl-Avrami模型改進(jìn)的Yada模型[4-5]，AF1410鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型可表示為：

(6)

式中，Xdrex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)；εc為臨界應(yīng)變；ε0.5、Q2分別為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)50%時(shí)的應(yīng)變和激活能；βd、kd、md、a2、n2、m2均為材料常數(shù)。

對式(6)、式(7)兩邊取自然對數(shù)，根據(jù)熱壓縮模擬試驗(yàn)結(jié)果[1]，利用Origin線性擬合，可得kd=2.07451，lnβd=1.12025，βd=3.06562；m2=0.11769，Q2=28559.05，α2=0.040435142。因此，AF1410鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程為：

(8)

1.3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型

金屬材料熱變形過程中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸(Ddrex)可表述為[6]：

(10)

式中，ε為應(yīng)變量；a3、h、n3、m3、Q3是與材料相關(guān)的待回歸系數(shù)。

本研究中，初始晶粒度為30μm，ε為0.91。不同變形條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸由熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)中的壓縮試樣獲得[1]，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸(單位：μm)Table 1 Grain size of dynamic recrystallization (unit: μm)

對式(10)兩邊取自然對數(shù)后再取對數(shù)，令ln(a3d0h)+n3lnε=lnA3，根據(jù)熱壓縮模擬試驗(yàn)結(jié)果，利用Origin線性擬合，可計(jì)算得m3=-0.2126，Q3=-103 097.975，lnA3=12.334 522 18，A3=227 412.8071。因此AF1410鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型為：

(11)

2 雙錐體熱壓縮有限元模擬

根據(jù)AF1410合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型，運(yùn)用DEFORM有限元模擬軟件，對AF1410鋼雙錐試樣熱壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。雙錐試樣如圖1所示。H13鋼模具的初始溫度為350℃，模具與坯料間的摩擦系數(shù)為0.3，壓制速度為7 mm/s，上模下壓量為28 mm。

圖1 雙錐試樣尺寸Figure 1 Specimen of twin cones

2.1 雙錐體壓縮應(yīng)變場

將雙錐體試樣預(yù)熱溫度T0設(shè)定為1000℃和1100℃，分別進(jìn)行兩組模擬計(jì)算，壓縮后的應(yīng)變場分布圖如圖2所示。雙錐體壓縮后試樣應(yīng)變在0.21～2.07之間，應(yīng)變場呈中心對稱分布，應(yīng)變量從芯部到邊緣逐漸減小，試樣芯部應(yīng)變量最大，呈現(xiàn)“X”型分布；四周以及上下表面中間區(qū)域的應(yīng)變量最小，即變形“死區(qū)”。

2.2 雙錐體壓縮動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程

圖3是熱壓縮試樣各個(gè)區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模擬分布圖。可以看出，不同預(yù)熱溫度的試樣動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)展程度和規(guī)律一致，試樣芯部區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)最大，往外層動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)越小，其分布與試樣應(yīng)變場規(guī)律基本一致，應(yīng)變量最小的外側(cè)和上下表面中心的區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)最小。圖4、圖5分別是試樣縱截面中線不同點(diǎn)的應(yīng)變量及所對應(yīng)的溫度和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)，在真應(yīng)變大于1的區(qū)域，其溫度差異很小，可近似于恒溫(如圖4)。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度隨應(yīng)變量增大而增大，呈斜“S”型(如圖5)，表明再結(jié)晶發(fā)生需要一個(gè)孕育期，隨著應(yīng)變量的增大，應(yīng)變能的積累越大，材料克服阻力而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核；同時(shí)，材料的再結(jié)晶是一個(gè)熱激活過程，熱壓縮溫度會影響變形過程中的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)[7-8]。根據(jù)Arrhenius方程[9]，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度越高，則達(dá)到一定再結(jié)晶組織體積分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間越短，因此相同應(yīng)變量下預(yù)熱溫度更高的試樣能達(dá)到的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度越高。

(a)雙錐熱壓縮試樣應(yīng)變場

(b)應(yīng)變分布曲線圖2 雙錐熱壓縮試樣應(yīng)變及分布Figure 2 Strain distribution of specimen of twin cones under thermal compression

(a)T0=1000℃

(b)T0=1100℃圖3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)Figure 3 Volume fraction of dynamic recrystallization

圖4 選點(diǎn)應(yīng)變量對應(yīng)的溫度Figure 4 Related temperatures to selective strain amount

圖5 選點(diǎn)應(yīng)變量對應(yīng)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)Figure 5 Related volume fraction of dynamic recrystallization to selective strain amount

(a)T0=1000℃

(b)T0=1100℃圖6 壓縮試樣平均晶粒尺寸Figure 6 Uniform grain size of compressed specimen

圖6是熱壓縮試樣平均晶粒尺寸分布圖。因?yàn)樵嚇觿?dòng)態(tài)再結(jié)晶不充分，其晶粒尺寸是模擬的再結(jié)晶晶粒與變形晶粒的混合晶粒。從圖6可以看出，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度越大的區(qū)域其晶粒度越小。預(yù)熱溫度為1000℃的試樣心部晶粒最細(xì)小，未發(fā)生再結(jié)晶的外層晶粒度在31～35 μm之間，與原始晶粒保持一致；預(yù)熱溫度為1100℃的試樣同樣是芯部晶粒最細(xì)小，但外層晶粒尺寸達(dá)到99 μm，這是前期預(yù)熱溫度高引起的晶粒粗大。

3 雙錐體熱壓縮試樣組織分析

對AF1410鋼雙錐試樣進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，分別將雙錐體試樣預(yù)熱溫度T0設(shè)置為1000℃和1100℃，進(jìn)行了兩組壓縮試驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過程中模具、試樣的出爐時(shí)間和壓縮時(shí)間，保證實(shí)驗(yàn)與模擬過程參數(shù)的一致性。熱壓縮完成后立即將試樣淬火以保持變形組織，將壓縮后的雙錐體試樣沿中線縱向?qū)η校厝〗孛嫔?個(gè)區(qū)域做金相分析，取樣位置如圖7所示。根據(jù)模擬結(jié)果，可知取樣位置A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的應(yīng)變分別為0.3、0.7、1.4、2.0。

圖7 雙錐體壓縮試樣取樣位置圖Figure 7 Sampling location of compressed specimen of twin cones

圖8、9分別為加熱溫度1000℃和1100℃的熱壓縮試樣4個(gè)區(qū)域的金相組織。A處為熱壓縮試樣的邊緣處，其變形量很小，從金相組織中看不出有變形跡象，但因加熱而使晶粒有不同程度的長大。對比加熱1000℃與加熱1100℃的A處金相可明顯看出溫度升高使晶粒變得粗大，1000℃加熱下晶粒尺寸約為33 μm，而1100℃加熱條件下晶粒接近100 μm。B處因壓縮變形而形成長條狀晶粒，其原奧氏體晶界處開始模糊，有些晶粒交匯處生成了再結(jié)晶晶粒。隨著應(yīng)變量進(jìn)一步增大，在C處可以明顯看出此區(qū)域發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶界已經(jīng)完全模糊，被動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒所覆蓋，并因動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生而產(chǎn)生“項(xiàng)鏈組織”。D處位于試樣的正中心，其溫度和變形量都是整個(gè)試樣上最大的區(qū)域，從金相圖可以看出此區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶已向變形晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶接近完成，只剩下小部分原始晶粒。計(jì)算圖8中各照片再結(jié)晶區(qū)域占整個(gè)面積的比例，結(jié)果分別為0、18%、56%、85%；同理計(jì)算圖9中各照片動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分別為0、27%、69%、89%。1000℃和1100℃熱壓縮后，試樣動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸實(shí)測值與計(jì)算值(圖10)相比，其誤差較小，吻合度較好。

圖8 1000℃壓縮后試樣不同區(qū)域金相圖Figure 8 Metallograph at various locations of specimen under 1000℃ compression

圖9 1100℃壓縮后試樣不同區(qū)域金相圖Figure 9 Metallograph at various locations of specimen under 1100℃ compression

(a)T0=1000℃(b)T0=1100℃圖10 晶粒度與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模擬與實(shí)測對比Figure 10 Comparison between simulated values and measured values of grain size and volume fraction of dynamic recrystallization

4 結(jié)論

(1)雙錐試樣壓縮后，其應(yīng)變量沿中軸線對稱分布，其中心部應(yīng)變量最大，由芯部向外側(cè)應(yīng)變逐漸減小。壓縮過程中試樣芯部溫度較高，由芯部向外側(cè)溫度逐漸降低。

(2)雙錐熱壓縮試樣在不同區(qū)域發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度不同，隨著應(yīng)變量增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，其應(yīng)變-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)關(guān)系呈“S”型。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶首先在晶界處形核，隨著應(yīng)變量的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶向晶內(nèi)擴(kuò)展。

(3)基于AF1410鋼高溫變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的有限元模擬對其熱變形過程有較好的預(yù)測性。