白興紅，趙席春，趙德利，郭峰

天津重型裝備工程研究有限公司 天津 300457

1 序言

軋輥是軋鋼設(shè)備中的重要備件，使用環(huán)境、工作狀態(tài)等要求其具有較高的接觸疲勞強(qiáng)度，良好的應(yīng)力狀態(tài)、抗裂紋擴(kuò)展能力，以及優(yōu)良的耐磨性。Cr5鋼因其較高的合金含量而擁有優(yōu)越的淬硬性、淬透性以及良好的耐磨性和抗斷裂性，成為連軋機(jī)支承輥和有色軋機(jī)工作輥的主流產(chǎn)品材料[1，2]。隨著冶金質(zhì)量的提高和熱工藝的完善，從改善耐磨性考慮提高碳含量[3，4]，但增加碳含量會(huì)使鍛造、熱處理難度增大。

基于動(dòng)態(tài)材料模型建立起來(lái)的熱加工圖技術(shù)能確定各個(gè)加工區(qū)域的功率耗散和流變失穩(wěn)情況[5]，可為熱加工工藝參數(shù)的制定提供理論指導(dǎo)。目前，采用熱加工圖定量?jī)?yōu)化合金的熱加工工藝，已在鎳基合金、鋯合金、304L不銹鋼及鈦合金等得到了成功的應(yīng)用[6，7]。本文采用流變曲線(xiàn)分析及熱加工圖技術(shù)對(duì)一種高碳Cr5軋輥鋼的熱變形特性進(jìn)行研究，為其熱加工工藝的制定和優(yōu)化提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為新型C r 5 軋輥鋼，感應(yīng)電爐熔煉，鍛至成棒，進(jìn)行退火處理。熱壓縮試驗(yàn)在Gleeble-3800型熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸φ8mm×15mm，試樣兩端墊有石墨片，以減小摩擦。試樣以10℃/s的速度從室溫加熱到1250℃，保溫10min后以10℃/s速度分別冷卻到900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃，保溫1min，然后分別以0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1和1s-1的應(yīng)變速率壓縮至真應(yīng)變0.7，變形結(jié)束后迅速水冷，以保留高溫狀態(tài)下的奧氏體晶粒。最后用線(xiàn)切割方法將淬火試樣沿軸向剖開(kāi)，進(jìn)行顯微觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 流變曲線(xiàn)

試驗(yàn)鋼在9 0 0 ～1 2 0 0 ℃的范圍內(nèi)，分別以0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1和1s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行真應(yīng)變?yōu)?.7的熱壓縮變形，獲得了該試驗(yàn)鋼的流變曲線(xiàn)，如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增大，試驗(yàn)鋼熱變形時(shí)的應(yīng)力升高：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，因而峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而逐漸降低；在變形溫度相同條件下，應(yīng)變速率增大，加工硬化率提高，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力也隨之提高。

合金鋼的流變曲線(xiàn)一般分為兩種類(lèi)型：一種是動(dòng)態(tài)回復(fù)型；另一種是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型[6-8]。當(dāng)應(yīng)變速率為0.001s-1時(shí)（見(jiàn)圖1a），試驗(yàn)鋼的流變曲線(xiàn)都會(huì)出現(xiàn)峰值，即屬于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；并且在圖1a中，當(dāng)變形溫度超過(guò)1000℃后，流變應(yīng)力達(dá)到峰值后還出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)應(yīng)力平臺(tái)，這是完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的特征。當(dāng)應(yīng)變速率為0.01s-1時(shí)（見(jiàn)圖1b），在溫度高于1000℃時(shí)試驗(yàn)鋼的流變曲線(xiàn)出現(xiàn)了峰值，屬于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；當(dāng)應(yīng)變速率增大為0.1s-1和1s-1時(shí)（見(jiàn)圖1c、d），流變曲線(xiàn)已不再出現(xiàn)明顯的峰值，屬于動(dòng)態(tài)回復(fù)型。

圖1 試驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率下的流變曲線(xiàn)

3.2 熱變形后的顯微組織

試驗(yàn)鋼在不同熱變形條件下的顯微組織如圖2所示。從中可以看出，在1050℃、0.001s-1工藝條件下，熱變形后的組織屬于完全再結(jié)晶狀態(tài)，為晶粒度4～5級(jí)的等軸晶（見(jiàn)圖2a）；在1000℃、0.01s-1工藝條件下的為部分再結(jié)晶組織，在原奧氏體晶界上出現(xiàn)了細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，尺寸不足20μm，可見(jiàn)晶界是該試驗(yàn)鋼容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的位置（見(jiàn)圖2b）；當(dāng)應(yīng)變速率升高至0.1s-1和1s-1時(shí)，熱變形后的組織基本均為普通形變組織，粗大的奧氏體晶粒因變形而被拉長(zhǎng)（見(jiàn)圖2c、d），這與前述的流變曲線(xiàn)是相對(duì)應(yīng)的。

圖2 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同工藝變形后的顯微組織

通過(guò)對(duì)圖2熱變形后的組織觀察得知，試驗(yàn)鋼的再結(jié)晶程度隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而增大，其中應(yīng)變速率的影響尤為明顯。這是因?yàn)樵谙嗤冃瘟肯?，?yīng)變速率越大，所得到的位錯(cuò)密度越高，即加工硬化和形變儲(chǔ)能越高，從而為奧氏體再結(jié)晶提供的驅(qū)動(dòng)力越大。

3.3 熱變形方程的建立

金屬熱變形過(guò)程是一個(gè)熱激活過(guò)程。金屬材料在高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力既與材料化學(xué)成分有關(guān)，又與變形溫度、應(yīng)變速率及變形量有關(guān)。當(dāng)材料的成分確定時(shí)，流變應(yīng)力與變形條件之間的關(guān)系可用經(jīng)典的雙曲正弦函數(shù)來(lái)描述[9]，即

Q——熱變形激活能，是一個(gè)反映材料熱變形難易程度的參數(shù)；

σ——峰值應(yīng)力或穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力（MPa），或相應(yīng)于某特定應(yīng)變量的流變應(yīng)力，本文中σ取峰值應(yīng)力σp；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度（K）；

n——應(yīng)力指數(shù)；

A、α——材料常數(shù)。

Zener-Hollomon參數(shù)即Z參數(shù)，用以表征變形溫度與應(yīng)變速率對(duì)變形過(guò)程特別是變形抗力的綜合作用。Z參數(shù)由式（2）表示，即

結(jié)合式（1）和式（2）可得：

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10]，用線(xiàn)性回歸的方法可求得A=2.37×1015，α=0.009，n=5.0，Q=415.673kJ/mol。經(jīng)上述計(jì)算，試驗(yàn)鋼在900～1200℃及0.001～1s-1條件下的熱變形方程及Z參數(shù)分別為

3.4 流變應(yīng)力峰值的預(yù)測(cè)

從圖1中獲取每個(gè)熱變形條件下的峰值應(yīng)力，其與Z參數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。很顯然，lnZ與ln[sinh（α σp）]較好地滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性回歸系數(shù)為0.996。根據(jù)式（3），可以獲得包含Z參數(shù)的流變應(yīng)力方程為

圖3 試驗(yàn)鋼ln[sinh（α σp）]與Z參數(shù)的關(guān)系

因此，根據(jù)式（6）便可估算出材料在一定變形溫度和應(yīng)變速率條件下的流變應(yīng)力峰值，以期預(yù)測(cè)該鋼種在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)力水平，為其熱加工工藝的制定提供理論依據(jù)。

3.5 熱加工圖

金屬塑性成形是指金屬材料在一定的外力作用下，利用其塑性變形并獲得一定力學(xué)性能的加工方法。建立熱加工圖的主要目的就是通過(guò)對(duì)塑性成形過(guò)程的分析與模擬，掌握各種工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律的影響，分析材料在不同變形條件下的高溫變形機(jī)制，從而獲得熱加工“安全區(qū)”和“不安全區(qū)”，達(dá)到控制組織演變、避免缺陷的產(chǎn)生和優(yōu)化工藝參數(shù)的目的[9，10]。

熱變形過(guò)程中的工件可視為一個(gè)功率耗散體，而應(yīng)變速率敏感指數(shù)（m）決定了系統(tǒng)功率在粘塑變形引起的功率耗散和組織變化引起的功率耗散之間的分配。其中，在變形過(guò)程中有組織變化而消耗的功率比用η表示（稱(chēng)為功率耗散率），η可由式（7）表示，即

η值取決于熱變形溫度T及應(yīng)變速率，的變化規(guī)律即為能量耗散圖。η值的差別，一方面反映了熱變形溫度及應(yīng)變速率的不同，另一方面，也反映了熱變形過(guò)程中組織變化的不同。在不同的應(yīng)變速率和變形溫度條件下，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，此時(shí)功率耗散是由位錯(cuò)的消失引起的；在再結(jié)晶區(qū)域，材料具有較高的塑性，相對(duì)而言，再結(jié)晶區(qū)具有較高的能量消耗效率。

在低溫高應(yīng)變速率條件下，可能會(huì)導(dǎo)致材料第二相粒子處形成微孔或晶界處的楔形開(kāi)裂，非常高的應(yīng)變速率甚至?xí)a(chǎn)生絕熱剪切。基于Ziegle塑性流變理論發(fā)展的連續(xù)熱加工失穩(wěn)準(zhǔn)則，給出以下判據(jù)，滿(mǎn)足該判據(jù)條件時(shí)，材料可能發(fā)生流變失穩(wěn)[11]，表達(dá)式為

按照相關(guān)文獻(xiàn)[8，10]中的計(jì)算方法，將功率耗散圖和流變失穩(wěn)圖疊加在一起得到試驗(yàn)材料在不同真應(yīng)變時(shí)的熱加工圖，如圖4所示。圖中的等高線(xiàn)數(shù)字表示能量消耗效率η，陰影部分表示非穩(wěn)定變形區(qū)域。

圖4 試驗(yàn)鋼的熱加工圖

明顯地，試驗(yàn)鋼的功率耗散值隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而升高，不同應(yīng)變量情況類(lèi)似。真應(yīng)變0.65時(shí)，變形條件為1150℃和0.001s-1時(shí)功率耗散值達(dá)到了最大值48%，而在較高應(yīng)變速率條件下出現(xiàn)了流變失穩(wěn)區(qū)（見(jiàn)圖4b）。

本試驗(yàn)條件下，根據(jù)對(duì)不同應(yīng)變量下熱加工圖的分析，可判定900～1200℃、0.001～0.01s-1變形條件下的變形機(jī)制基本全是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，功率耗散系數(shù)＞36%，為最佳變形條件；1050～1200℃、0.01～0.1s-1，1100～1200℃、0.1～1s-1的變形條件下的變形機(jī)制為動(dòng)態(tài)回復(fù)型，屬于安全工藝參數(shù)范圍；真應(yīng)變?yōu)?.65時(shí)，在900～1050℃、0.1～1s-1變形條件下試驗(yàn)鋼出現(xiàn)了流變失穩(wěn)現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該避免在流變失穩(wěn)區(qū)進(jìn)行熱變形。試驗(yàn)鋼熱加工圖的建立，為該鋼種熱加工工藝的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）試驗(yàn)鋼在變形溫度900～1200℃、應(yīng)變速率0.001～1s-1條件下進(jìn)行熱壓縮變形時(shí)，加工硬化率隨著應(yīng)變速率的升高和變形溫度的降低而升高。

2）試驗(yàn)鋼的再結(jié)晶程度隨著應(yīng)變速率的降低和變形溫度的升高而增大，其中應(yīng)變速率的影響尤為明顯。

3）試驗(yàn)鋼熱變形激活能為415.673kJ/mol，熱變形方程和Z參數(shù)計(jì)算分別為見(jiàn)式（4）和式（5）。

4）在900～1200℃、0.001～0.01s-1變形條件下，高碳Cr5軋輥鋼的變形機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，功率耗散系數(shù)＞36%，得到典型的等軸晶晶粒，是理想的熱加工組織狀態(tài)。

5）真應(yīng)變達(dá)到0.65時(shí)，在900～1050℃、0.1～1s-1變形條件下，高碳Cr5軋輥鋼出現(xiàn)了流變失穩(wěn)現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意避免。