摘 要：為明確40CrNi2MoE鋼在擠壓工藝下的動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)和高溫流變特征，研究對該材料實(shí)施高溫擠壓處理，并通過臺式場發(fā)射電鏡和電液伺服動態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)對其應(yīng)變狀況和結(jié)晶狀態(tài)進(jìn)行觀測。在獲得40CrNi2MoE鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線的基礎(chǔ)上，基于Arrhenius函數(shù)建立該材料的熱變形方程，發(fā)現(xiàn)其熱變形激活能Q為343.887kJ/mol，當(dāng)應(yīng)變速率在0.1～10s-1之間且溫度達(dá)到1000℃以上時，才能夠?qū)崿F(xiàn)完全動態(tài)再結(jié)晶。40CrNi2MoE鋼的峰值應(yīng)變：εp與其Z參數(shù)之間的關(guān)系為：εp=0.028lnZ-0.35。以上數(shù)據(jù)對于40CrNi2MoE鋼在加工過程中的組織晶粒細(xì)化具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：40CrNi2MoE鋼；高溫流變曲線；細(xì)晶組織；變形方程

中圖分類號：TG376

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Dynamic recrystallization kinetics model analysis of 40CrNi2MoE steel extrusion process

FENG Jinhui

（Nanjing Institute of Mechanical and Electrical Technology， Nanjing 211302， Jiangsu， China）

Abstract： In order to clarify the dynamic recrystallization state and high-temperature rheological characteristics of 40CrNi2MoE steel under the extrusion process， the high-temperature extrusion treatment of the material was studied and the strain and crystallization state were observed by benchtop field emission electron microscope and electro-hydraulic servo-dynamic fatigue testing machine. On the basis of obtaining the stress-strain curve of 40CrNi2MoE steel， the thermal deformation equation of the material is established based on the Arrhenius function， and it is found that the activation energy Q of thermal deformation is 343.887kJ/mol， and the complete dynamic recrystallization can be achieved when the strain rate is between 0.1～10s-1 and the temperature reaches more than 1000℃. The relationship between the peak strain εp and its Z parameter of 40CrNi2MoE steel is εp=0.028lnZ-0.35， and it is difficult for the material to undergo dynamic recrystallization under the condition of large Z parameters. The above data have certain reference significance for the micrograin refinement of 40CrNi2MoE steel in the processing process.

Key words： 40CrNi2MoE steel; high temperature rheological curve; fine grain structure; deformation equation

0 引 言

金屬材料的軋制、鍛造、擠壓等熱加工工藝一方面要避免出現(xiàn)設(shè)備過載、鍛件開裂等問題，另一方面也要使材料的微觀組織達(dá)到理想狀態(tài)，這就需要深入分析金屬材料在熱變形狀態(tài)下的動態(tài)再結(jié)晶特征。蘇新生等［1］對40CrNi2MoE鋼進(jìn)行了高溫軸向單道次壓縮變形試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該材料的高溫流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小，隨著應(yīng)變速率的提高而增大，且在溫度為1123～1423K，以及應(yīng)變速率為0.01～10s-1的情況下，40CrNi2MoE鋼的熱變形激活能為333.726kJ·mol-1徐文帥等［2］通過建立數(shù)學(xué)模型的方式分析了40CrNi2MoE鋼在加熱溫度為850～1200℃以及保溫時間為30～480min時的奧氏體晶粒長大規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該材料的鋼奧氏體晶粒在加熱過程中會逐漸長大，當(dāng)加熱溫度超過1050℃且保溫時間超過120min時，試驗(yàn)鋼奧氏體晶粒開始粗化?，F(xiàn)有研究表明，準(zhǔn)確預(yù)測合金材料的微觀組織變化規(guī)律對于提升材料性能有著十分重要的作用。因此，本研究基于不同應(yīng)變速率和溫度環(huán)境，建立了用于描述動態(tài)再結(jié)晶特征的數(shù)學(xué)模型，為相應(yīng)的有限元分析工作提供必要的理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究以40CrNi2MoE高純度鋼為研究對象，該材料采用真空自耗重熔結(jié)合真空感應(yīng)工藝冶煉而成，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試樣制備

研究通過線切割技術(shù)以φ10mm×15mm的規(guī)格在鋼棒料上切取圓柱試樣，快速加熱試樣至1200℃并靜置5min，再將試樣溫度冷卻至變形溫度并靜置1min，以預(yù)設(shè)的應(yīng)變速率壓縮試樣并實(shí)施水淬處理［3-4］。

1.3 試驗(yàn)方法

分別采用SUNS 890型電液伺服動態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)（珠海市三思泰捷電氣設(shè)備有限公司）和Pharos G2型臺式場發(fā)射電鏡（上海復(fù)納科學(xué)儀器有限公司）對材料進(jìn)行力學(xué)性能測試和微觀形貌分析。

2 建立本構(gòu)方程

2.1 高溫流變曲線分析

40CrNi2MoE高純度鋼試樣在各變形溫度和各應(yīng)變速率下的高溫流變測試結(jié)果如圖1所示。根據(jù)圖1可知，在變形溫度高于850℃且應(yīng)變速率處于0.01～10s-1之間的情況下，各組試樣的應(yīng)力均存在峰值，說明各組試樣在熱壓縮過程中均出現(xiàn)了動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。其中圖1（a）～1（c）所示的3組試樣出現(xiàn)了完全動態(tài)再結(jié)晶，圖1（d）所示的試樣出現(xiàn)了不完全動態(tài)再結(jié)晶。由此可知，在逐漸增加應(yīng)變速率的過程中，引起試樣完全動態(tài)再結(jié)晶的溫度也隨之增加。然而，在加工硬化率過高的情況下，試樣在熱變形過程中即使出現(xiàn)了動態(tài)再結(jié)晶也難以在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出來，因此還需要對試樣進(jìn)行微觀形貌分析。

2.2 細(xì)晶組織分析

研究在應(yīng)變ε=0.9的狀態(tài)下對40CrNi2MoE鋼試樣在不同變形溫度T和應(yīng)變速率ε·下的微觀形貌進(jìn)行觀測，顯微標(biāo)尺為200μm，各組試樣

的微觀形貌如圖2所示。根據(jù)圖2可知，當(dāng)T=850℃時，試樣開始出現(xiàn)微觀層面的動態(tài)再結(jié)晶；當(dāng)T=950℃時，其微觀層面出現(xiàn)少量的等軸再結(jié)晶晶粒。說明40CrNi2MoE鋼在ε=0.9， T=950℃時開始出現(xiàn)完全動態(tài)再結(jié)晶。在ε·為0.1，1，10s-1時，試樣只有在T≥1000℃的情況下才會出現(xiàn)完全動態(tài)再結(jié)晶。除此之外，當(dāng)T固定不變時，完全動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與ε·成反比。在ε·固定不變時，完全動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與T成正比。

2.3 建立熱變形方程

在熱變形過程中，金屬材料的化學(xué)組成決定了其流變應(yīng)力σ，流變應(yīng)力σ同時又與應(yīng)變ε、應(yīng)變速率ε·和熱變形溫度T有關(guān)，即σ=f（ε）×f（ε·）×f（t）。

研究基于Arrhenius函數(shù)建立本構(gòu)模型，具體形式如下［5-6］：

ε·=A［sinh（ασ）］nexp-QRT

（1）

在水平應(yīng)力較低（ασlt;0.8）時，式（1）可表示為ε·=A1σn′exp（-Q/RT）；在水平應(yīng)力較高（ασgt;1.2）時，式（1）可表示為ε·=A2exp（βσ）exp（-Q/RT）。在式（1）中，A， A1， A2， n， n′， α， β均為材料常數(shù)，α， β， n′滿足α=β/n′； Q為變形激活能，單位J·mol-1； R為理想氣體常數(shù)，取8.314J·k-1·mol； σ取峰值應(yīng)力σp［7-9］。

分別對水平應(yīng)力較高和較低情況下的本構(gòu)模型兩邊進(jìn)行求導(dǎo)，可得n′=lnε·/lnσ， β=lnε·/σ，在此基礎(chǔ)上可繪制出如圖3所示的σp-ε·關(guān)系曲線［10-11］。根據(jù)圖3可知，σp-lnε·和lnσp-lnε·兩條曲線均呈現(xiàn)出近似線性關(guān)系。

對式（1）兩邊取自然對數(shù)可得：

ln（sinh（ασp））=-1nlnA+1nlnε·+1nQRT

（2）

在T固定不變的情況下，于式（2）兩邊對ε·求偏導(dǎo)，則有：

在ε·固定不變的情況下，于式（2）兩邊對1/T求偏導(dǎo)，則有：

（4）

通過式（3）和（4），對圖1中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行處理，進(jìn)而計算出ε·與σp以及T與σp之間的關(guān)系曲線，所得結(jié)果如圖4所示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行線性擬合處理，能夠計算出Q=343.887kJ/mol， n=5.9159。

研究通過Z參數(shù)來表征40CrNi2MoE鋼熱變形過程與ε·和T之間的關(guān)系，Z參數(shù)具體形式為Z=ε·exp（Q/RT）［12-13］，將Z參數(shù)代入式（1）中，則有Z=A［sinh（ασp）］n，對其兩端取ln值，則有l(wèi)nZ=lnA+nln［sinh（ασp）］。在此基礎(chǔ)上對ln［sinh（ασp）］與lnZ之間的線性關(guān)系進(jìn)行擬合計算［14-15］，得到如圖5（a）所示的擬合結(jié)果，根據(jù)擬合結(jié)果可計算出n=5.8898， A=1.4684×1013。最終可以得出該材料的Z參數(shù)表達(dá)式為Z=1.4684×1013［sinh（ασp）］5.8898。根據(jù)圖5（b）可知，ln［sinh（ασp）］與lnZ之間呈線性關(guān)系，40CrNi2MoE鋼的σp隨Z值的增加而增加，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.997。

將上述結(jié)果代入式（1），可得出40CrNi2MoE鋼的熱變形方程為ε·=1.4684×1013［sinh（0.01047σ）］5.9159exp（-343887/RT）。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶的情況下，40CrNi2MoE鋼的εp與Z參數(shù)之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，且兩者之間呈正比，lnZ與εp之間的線性關(guān)系為εp=0.028lnZ-0.35。

3 結(jié) 語

40CrNi2MoE鋼的本構(gòu)方程為ε·=1.4684×1013［sinh（0.01047σ）］5.9159exp（-343887/RT），其熱變形激活能Q為343.887kJ/mol，該結(jié)論與蘇新生等［1］提出的結(jié)果相近。在熱變形過程中，40CrNi2MoE鋼的Z參數(shù)滿足Z=1.4684×1013［sinh（ασp）］5.8898。在該材料出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶型熱變形的情況下，Z參數(shù)與峰值應(yīng)變εp之間的關(guān)系為εp=0.028lnZ-0.35。在應(yīng)變速率ε·為10s-1，應(yīng)變ε=0.9的情況下，只有當(dāng)變形溫度高于1000℃時才會發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶。在特定的應(yīng)變速率下，晶粒尺寸與溫度成正比。

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