40Cr钢热变形行为及热加工图_郭卜瑞.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:郭卜瑞,徐佳炜,刘世媛,等.40Cr 钢热变形行为及热加工图 J.塑性工程学报,2023,30(2):97-104.GUO Burui,XU Jia-wei,LIU Shiyuan,et al.Hot deformation behavior and hot processing map of 40Cr steel J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):97-104.基金项目:国家重点研发计划(2018YFB1309100)通信作者:徐文臣,男,1976 年生,博士,教授,主要从事难变形材料精密塑性成形研究,E-mail:xuwc_76 第一作者:郭卜瑞,男,1998 年生,硕士研究生,主要从事铝合金、钢等塑性成形研究,E-mail:20S009124 收稿日期:2022-04-15;修订日期:2022-10-2440Cr 钢热变形行为及热加工图郭卜瑞,徐佳炜,刘世媛,单德彬,徐文臣(哈尔滨工业大学 金属精密热加工国家级重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:为研究 40Cr 钢的热变形行为和热加工性能,在 Gleeble1500 型热模拟试验机上对 40Cr 钢进行了不同参数下的等温热压缩试验,建立了包含再结晶特征的 40Cr 钢高温流变应力模型,并绘制了其热加工图。结果表明,所建立的流动应力模型能够很好地预测 40Cr 钢不同热变形条件下的应力-应变曲线。观察了不同变形条件下热压缩试样的微观组织,发现失稳区域为不完全动态再结晶的“项链”组织,非失稳区域中耗散值较小区域和较大区域分别为平均晶粒尺寸为 128.2 和 20.4 m 的动态再结晶组织,验证了热加工图的可靠性。结合微观组织观察和热加工图分析,可以确定 40Cr 钢的最佳热加工区域为温度10501150、应变速率 110 s-1。关键词:40Cr 钢;动态再结晶;高温流变应力模型;热加工图;微观组织中图分类号:TG142.1+4 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0097-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.012Hot deformation behavior and hot processing map of 40Cr steelGUO Bu-rui,XU Jia-wei,LIU Shi-yuan,SHAN De-bin,XU Wen-chen(National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:To study the hot deformation behavior and hot workability of 40Cr steel,the isothermal hot compression tests with different pa-rameters were carried out on Gleeble1500 thermal simulator,high temperature rheological stress model including recrystallization charac-teristics of 40Cr steel was established,and the hot processing map was drawn.The results show that the established model can well pre-dict the stress-strain curve of 40Cr steel under different hot deformation conditions.The microstructure of hot compression specimen was observed.It is found that the instability region presents a“necklace”microstructure with incomplete dynamic recrystallization,and the non-stability regions with a smaller dissipation value and larger dissipation value are dynamic recrystallization microstructure with average grain sizes of 128.2 and 20.4 m,respectively,which verifies the reliability of the hot processing map.Combined with the microstruc-ture observation and the hot processing map analysis,it is determined that the optimal hot processing zone of 40Cr steel is the temperatures of 1050-1150 and strain rates of 1-10 s-1.Key words:40Cr steel;dynamic recrystallization;high temperature rheological stress model;hot processing map;microstructure 引言40Cr 钢是我国用量较大的合金调制钢,具有较高的强度和良好的韧性,被广泛应用于轴类、连杆、螺栓和重要齿轮等关键承力零件1。40Cr 钢在热变形过程中经历加工硬化和-动态回复/动态再结晶两阶段,是具有明显动态再结晶特征的金属材料,建立其在热加工过程的合理材料动态响应模型,对于热加工能力预测和加工工艺制定具有重要的指导意义。伍来智等1建立了 40Cr 钢变形过程中峰值应力和 Z 参数的关系,并通过拟合得到了再结晶晶粒尺寸的表达式。余星星等2给出了 40Cr 钢峰值应力和Z 参数的关系的详细推导,并对再结晶阶段一些特征物理量进行了确定。然而关于其在锻造温度区间包含两阶段变形的流变应力模型却鲜有报道。此外,热加工图能够反映不同变形条件下材料内部组织的变化并评估材料的可加工性,是优化材料热加工工艺的重要工具。利用热加工图可以分析和预测材料在不同变形条件下的变形特点和变形机制,进而获得热加工的不安全区域3。为更好地研究 40Cr 钢的锻造性能和热加工工艺,并对其多工序锻造过程组织性能实现有效调控,需要深入分析和表征其热变形行为,并建立合理的热加工图。为此,本文通过不同工艺参数下的等温压缩试验研究 40Cr 钢的热变形行为,建立其包含动态再结晶特征的高温流变应力模型,绘制其在 8501150、0.110 s-1条件下的热加工图。1 实验材料与方法本文热压缩模拟试验选用材料为 40Cr 钢棒料,其化学成分(%,质量分数)为 C:0.42%,Mn:0.65%,Cr:0.89%,Mo:0.0093%,Cu:0.0855%,P:0.021%,S:0.013%。通过线切割从坯料上切取试样,直径为 6 mm,高度为 9 mm。在 Gleeble1500型热模拟试验机上对 40Cr 钢进行不同参数下的等温热压缩试验,获得其应力-应变曲线。试样以 20 s-1的速度加热至 1200,并在该温度下保温 5 min 以保证试样组织完全奥氏体化,随后以 10 s-1的速度将试样温度降至变形温度并保温 15 s,以保证试样温度分布均匀,随后分别以不同应变速率开展热压缩试验。选取的应变速率分别为 0.01、0.1、1 和 10 s-1,温度分别为 850、950、1050 和 1150,变形程度为 60%。计算其最大真应变约为 0.916,变形后立刻将热压缩试样浸于水中淬火,以保留其高温变形后的微观组织。将热压缩后的试样沿轴线切开,抛光后用过饱和苦味酸溶液腐蚀,然后在光学显微镜下观察其显微组织。2 实验结果与讨论2.1 40Cr 钢高温流变应力模型建立40Cr 钢是具有显著动态再结晶特征的金属材料。在变形过程中,其应力-应变曲线存在明显的再结晶特征,如图 1 所示,其中 WH为变形过程仅存在加工硬化和动态回复机制的应力,为应力,s为饱和应力,ss为稳态应力,0为屈服应力,c为动态再结晶临界应力,p为峰值应力,为应变,c为临界应变,p为峰值应变。通常,变形过图 1 动态再结晶应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curve of dynamic recrystallization程中的应力是基于加工硬化-动态回复和动态再结晶两个阶段来建立的4。高温变形过程中,材料弹性变形表现的不显著,获得的应力-应变曲线中应力值的起点通常为屈服应力 0。变形初期,加工硬化和动态回复软化交互作用,其中加工硬化占据主导地位,表现为随着应变的增加,应力快速增加。随应变增加至临界应变 c,动态再结晶机制启动。随软化效果变强,加工硬化率的值由正转负,表现为随应变的增加,应力达到峰值应力 p后降低。随应变的继续增加,再结晶软化和加工硬化能力接近,表现为应力最后在稳态应力ss附近轻微波动。热变形初期,主要机制为加工硬化和动态回复。两者的交互作用导致位错密度增加,可由式(1)描述5:dd=k1-k2(1)式中:为位错密度;为真应变;k1为加工硬化项系数;k2为动态回复软化项系数。当=0 时,对应的 0为屈服应力,位错密度为:=0(2)式中:0为初始位错密度。将式(2)代入式(1)积分得到:=k1k2-k1k2e-k22+0e-k22()2(3)当dd=0 时,对应的应力为饱和应力 s,位错密度为:s=k1k2()2(4)式中:s为加工硬化与动态回复软化平衡时对应的89塑性工程学报第 30 卷饱和位错密度。将式(4)代入式(3)中,得到:WH=s+(0-s)e-k22,c(5)随应变增加至 c,动态再结晶机制启动。通过引入动态再结晶动力学方程对动态再结晶阶段进行描述,动态再结晶动力学模型可用式(6)表示6:Xdrx=1-exp-kd-cp()nd|,c(6)式中:Xdrx为动态再结晶分数;kd和 nd为材料常数7。Xdrx可以从应力-应变曲线上得到体现(图1)。Xdrx与应力参数间关系可用式(7)表示8-9:Xdrx=WH-s-ss,c(7)结合式(6)与式(7)可以得到动态再结晶阶段的应力表达式:=WH-(s-ss)1-exp-kd-cp()nd|,c(8)通过结合式(5)和式(8)对应的两阶段应力模型,建立可以描述金属热变形过程中动态再结晶行为的应力模型,如式(9)所示。WH=s+(0-s)e-k22,c=WH-(s-ss)1-exp-kd-cp()nd|,c|(9)2.2 40Cr 钢高温流变应力模型参数的确定金属热变形是热激活的过程。SELLARS C M等6认为变形温度及应变速率对应力的影响可用式(10)描述:Z=expQactRT()=Asinh()n(10)式中:Z 为 Zener-Hollomon 参数;为应变速率;Qact为变形激活能;T 为变形温度;R 为摩尔气体常数;A、n 和 为待定材料常数。式(10)在低、高应力条件下可近似为:Z A1n,1.2(11)取待定常数 n=n,在低应力时可由 ln-ln 的回归关系得到 n 的第 1 个近似值。在高应力时可由ln-的回归关系得到 的一个近似值。因此可根据=/n 得到 的近似值。由式(10)中的符号两侧取对数可得:ln+QactRT=nlnsinh()+lnA(12)根据式(12)取 ln 对 ln sinh()及lnsinh()对1/T 的偏导,可以分别获得 n 的第2 个近似值和激活能 Qact的表达式:n=lnlnsinh()TQact=Rnlnsinh()1T()|(13)由 ln-lnp关系可得 n 的近似值 n=10.1277,如图 2a 所示,由 ln-p关系可得=0.0888,如图2b 所示,计算可得 =0.008766。lnsinh(p)-1000/T 关系中回归斜率的平均值近似为 5.6165103,如图 2c 所示,ln-lnsinh(p)关系中回归斜率的平均值近似为 7.4109,如图 2d 所示,代入式(13)计算可得到 40Cr 的再结晶激活能 Qact=346 kJmol-1。将再结晶激活能 Qact代入式(10)中计算出不同变形条件下的 Z 参数,随后由 lnZ-lnsinh(p)的关系获得 n 与 lnA 的准确值,如图2e 所示,n=7.3616、A=2.03631013。对式(10)整理求解可得:p=1lnZA()1n+ZA()2n+1|12(14)将上述计算得到的参数代入式(14)可得:p=114.08lnexp346000RT()2.0363 1013|17.3616+|exp346000RT()2.0363 1013|27.3616+1|12|(15)绘制加工硬化率 和应力 的关系曲线,如图3 所示。当应力值达到峰值应力 p时,加工硬化率 为 0 MPa,随后转为负值,当加工硬化率 再次为0 MPa 时,应力为稳态应力 ss。峰值应力对应应变即峰值应变 p。曲线拐点处为临界点,可以获得临界应变 c和临界应力 c。饱和应力 s无法直接获得,由 c处延续曲线,曲线与 轴的交点为 s。此外屈服应力 0可以通过应力-应变曲线直接获得,将应力-应变曲线上的 和 代入式(5),可以计算出不同变形条件下的 k2值。99 第 2 期郭卜瑞 等:40Cr 钢热变形行为及热加工图图 2 p与 Z 参数的关系及模型的预测精度(a)ln-lnp(b)ln-p(c)lnsinh(p)-1000/T(d)ln-lnsinh(p)(e)lnZ-lnsinh(p)(f)模型预测精度Fig.2 Relationship of p and Z parameter and prediction accuracy of model(a)ln-lnp(b)ln-p(c)lnsinh(p)-1000/T(d)ln-lnsinh(p)(e)lnZ-lnsinh(p)(f)Prediction accuracy of model图 3 不同变形条件下 40Cr 钢加工硬化率曲线(a)0.01 s-1(b)0.1 s-1(c)1 s-1(d)10 s-1Fig.3 Work hardening rate curves of 40Cr steel under different deformation conditions001塑性工程学报第 30 卷 获得参数中峰值应变 p、临界应力 c、屈服应力 0和动态回复软化项系数 k2,计为 X,则 Z 参数建立指数经验公式为:X=kZm(16)式中:k 和 m 为待定常数。上述各参数与 Z 参数关系如下:p=0.01007Z 0.0987c=4.2537Z 0.10220=5.9125Z0.0680k2=194.16Z-0.0811|(17)采用如式(18)形式的临界应变模型。c=0.92p(18)根据蠕变方程饱和应力 s和稳态应力 ss可以建立与 Z 参数关系如下:s=114.08 sinh-1(1.630 10-2Z0.1346)ss=114.08 sinh-1(6.090 10-3Z0.1585)(19)动态再结晶百分数 Xdrx可以体现在应力-应变曲线上(图 1),其表达式如式(7)所示。式(7)可改写为:ln-ln(1-Xdrx)=lnkd+ndln-cp()(20)从实验曲线获得不同应变下的 ln-ln(1-Xdrx)和ln(-c)/p数据,进行回归分析可以得到材料常数 kd和 nd,Xdrx可以用下式表示:Xdrx=1-exp-1.1616-cp()2.2104|(21)2.3 40Cr 钢高温流变应力模型验证按上述步骤建立 40Cr 钢高温流变应力模型,如式(22)所示。实验值和模型对 40Cr 钢流变应力-应变曲线的预测值对比如图 4 所示。WH=s+(0-s)e-k22,c=WH-(s-ss)1-exp-kd-cp()nd|,cZ=exp346000RT()p=0.01007Z0.0987c=0.92p0=5.9125Z0.0680s=114.08 sinh-1(1.630 10-2Z0.1346)ss=114.08 sinh-1(6.090 10-3Z0.1585)k2=194.16Z-0.0811kd=1.1616nd=2.2104|(22)图 4 实验值和 40Cr 钢流变应力模型预测值对比(a)850(b)950(c)1050(d)1150 Fig.4 Comparison between experiment values and prediction values of flow stress model of 40Cr steel101 第 2 期郭卜瑞 等:40Cr 钢热变形行为及热加工图 为验证模型的准确性,引入相关系数 R 和平均绝对相对误差 eAARE,计算方法见式(23)和式(24)。R=Ni=1(Ei-E-)(Pi-P-)Ni=1(Ei-E-)2Ni=1(Pi-P-)2(23)eAARE=1NNi=1Ei-PiEi 100%(24)式中:Ei和 Pi分别为实验数据及预测数据;E-和 P-分别为 Ei和 Pi的平均值;N 为实验样本数量。实验值与预测值的相关性如图 2f 所示,R=0.9836,eAARE=7.32%,验证了模型的准确性,其中变形条件为 1050、1 s-1和10 s-1以及1150、10 s-1 的预测值偏差较大,其原因可能与高温高速热压缩变形时变形热迅速累积导致材料内部温升有关。2.4 40Cr 钢热加工图建立热加工图是用于优化热加工工艺的重要工具,可以描述材料在不同变形温度、应变速率下塑性变形能力。基于动态材料模型10(Dynamic Materials Model,DMM)构建功率耗散图,基于塑性失稳判断准则构建塑性失稳图,将功率耗散图与塑形失稳图叠加可得到热加工图。利用热加工图可以判断材料塑性加工过程中的安全区和危险区,从而合理地制定材料热加工工艺和控制材料微观组织结构的目的。近年来,热加工图在钛合金、镍基高温合金、钢、铝合金等有着广泛运用11-17。首先通过式(25)计算应变速率敏感指数 ms:ms=lnln(25)引入功率耗散因子,用以表征成形过程中微观组织演变消耗能量的比例,根据式(26)计算功率耗散因子:=2 1-11+ms()=2ms1+ms(26)失稳判据 取决于热加工温度 T 及应变速率,在动态材料的模型中,应用最广泛的判据由 ZIE-GLER H 等18提出,表达式如式(27)所示。在功率耗散图上标出该参数的负值区域即可得到材料的热加工图。()=lnms/(ms+1)ln+ms0.3 时,材料的加工性能较好。综合热加工图耗散值分布与失稳区分析,可以认为 10501150、110 s-1是最佳加工区域。3 结论(1)在 Gleeble1500 型热模拟试验机上对 40Cr钢进行了不同参数下的等温热压缩试验,发现 40Cr钢在高温变形过程具有显著动态再结晶特征,在此基础上建立了包含动态再结晶特征的 40Cr 钢高温流变应力模型。分析预测值与实验值的对比结果可以得出,所建立的模型在两阶段均能对流变应力进行良好 的 预 测,预 测 值 与 实 验 值 的 相 关 系 数 为0.9836,平均绝对相对误差为 7.32%,表明该模型具有较好的预测精度。(2)热加工图中失稳区位于低温、中高应变速率区域 I。通过对失稳区中变形条件为 850、10 s-1 的热压缩试样微观组织进行观察,发现其组织为不完全动态再结晶产生的“项链”组织,与热加工图给出的失稳区相符,验证了本热加工图的可靠性。(3)在非失稳区中,低应变速率区域 II 功率耗散值较低,其中变形条件为 1050、0.01 s-1的热301 第 2 期郭卜瑞 等:40Cr 钢热变形行为及热加工图压缩试样的微观组织为动态再结晶组织,但平均晶粒尺寸为 128.2 m,发生组织粗化;高温高应变速率区域 III 功率耗散因子高于 0.3,其组织为动态再结晶组织,平均晶粒尺寸为 20.4 m,产生显著的晶粒细化。结合微观组织观察和热加工图分析,可确定 40Cr 钢最佳热加工区域为温度 10501150、应变速率 110 s-1。参考文献:1 伍来智,陈军,张鸿冰.40Cr 钢奥氏体动态再结晶及晶粒细化 J.上海交通大学学报,2008,42(5):786-790.WU Laizhi,CHEN Jun,ZHANG Hongbing.Dynamic recrystalli-zation of austenite 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