1Cr10Co6MoVNbN航空用不锈钢的热变形行为_白青青.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun 20231Cr10Co6MoVNbN 航空用不锈钢的热变形行为白青青1,2,胡 进3,刘庭耀1,2,王婀娜1,2,宋令玺1,2(1.成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司,四川 成都 610303;2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,辽宁 鞍山 114009;3.攀钢集团江油长城特殊钢有限公司,四川 江油 621700)摘要:采用 Gleeble-3500 热模拟实验机,研究了 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢在温度为 8001100、应变速率为 0.0110 s-1下的热变形行为,得到了其应力-应变曲线,并构建了本构方程,分析了温度、应变速率和变形量对其微观组织的影响。结果表明:在热变形过程中,峰值应变会随着变形温度的降低或应变速率的增大而增大,不锈钢发生了动态再结晶,温度对动态再结晶的显微组织影响明显;在应变速率为 1 s-1时,再结晶体积分数及晶粒尺寸最小;在低应变速率下变形时,再结晶组织容易出现混晶。通过-曲线确定了其临界应力与峰值应力、临界应变与峰值应变的关系。关键词:1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢;热变形;本构方程;再结晶;临界应力;临界应变DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.032中图分类号:TG142.73 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0238-07Thermal deformation behavior of aerospace stainless steel 1Cr10Co6MoVNbNBai Qingqing1,2,Hu Jin3,Liu Tingyao1,2,Wang Enuo1,2,Song Lingxi1,2(1.Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610303,China;2.State Key Laboratory of Meatl Material for Marine Equipment and Application,Anshan 114009,China;3.Jiangyou Changcheng Special Steel Co.Ltd.of Pangang Group,Jiangyou 621700,China)Abstract:The thermal deformation behavior of 1Cr10Co6MoVNbN stainless steel under the temperature of 800-1100 and the strain rate of 0.01-10 s-1 was studied by thermal simulation experimental machine Gleeble-3500,and the stress-strain curve was obtained.Then,the constitutive equation was constructed,and the influences of temperature,strain rate and deformation amount on its microstruc-ture were analyzed.The results show that during the thermal deformation process,the peak strain increases with the decreasing of deform-ation temperature or the increasing of strain rate,the dynamic recrystallization occurs,and the temperature has obvious influence on the microstructure of dynamic recrystallization.When the strain rate is 1 s-1,the recrystallization volume fraction and the grain size are the smallest.When deformed at low strain rate,the recrystallized structure is prone to mixed crystal.The relationships between critical stress and peak stress,and between critical strain and peak strain are determined by-curve,respectively.Key words:1Cr10Co6MoVNbN stainless steel;thermal deformation;constitutive equation;recrystallization;critical stress;critical strain收稿日期:2022-07-21;修订日期:2022-10-25作者简介:白青青(1986-),女,学士,高级工程师E-mail:89447535 1Cr10Co6MoVNbN 钢是优良的抗蠕变马氏体型不锈钢,由于该钢中加入了 Mo、V、Nb 等元素,具有较高的热强性能、热稳定性和抗氧化性能,主要用于航空发动机高压压气机转子叶片和高压压气机机盘1-2。1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢目前主要的热加工方式是锻造,研究人员对其锻造工艺进行了研究3,但仅限于宏观锻造工艺,对材料在热加工过程中微观组织的变化以及热变形参数的影响并未详述,因此,建立该材料的热变形参数同微观组织之间的关系,具有重要的应用价值。本 文 通 过 热 模 拟 实 验 系 统 地 研 究 了1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的热变形行为,分析了流变应力的影响因素,并建立了本构关系模型。同时,分析了热变形参数对压缩变形后组织的影响规律,并确定了再结晶发生的临界条件,为 1Cr10Co6MoVNbN不锈钢热加工参数的制定提供了重要的参考作用,具有一定的实际意义。1 实验材料及方法1.1 实验材料试样取自长城特钢公司生产的 1Cr10Co6MoVNbN不锈钢锻后退火态的 80 mm 棒材,其化学成分见表 1。表 1 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of 1Cr10Co6MoVNbN stainless steel(%,mass fraction)CSiMnPSCrMoNiCoVNbFe0.090.230.800.00340.00310.200.680.506.100.150.21余量1.2 实验方法热压缩试样尺寸为 8 mm12 mm,在 Gleeble-3500 热模拟实验机上以 5 s-1的速率加热至1200 后保温 5 min,再以 5 s-1的速率降温至800、850、900、950、1000、1050 和 1100,分别以 0.01、0.1、1 和 10 s-1的应变速率进行压缩,变形量分别为 30%、50%和 70%,压缩完成后快速冷却至室温。热压缩后的金相试样经机械研磨和抛光后进行热浸蚀,腐蚀试剂为硫酸和高锰酸钾水溶液(1 g KMnO4+10 mL H2SO4+90 mL H2O),然后在金相显微镜下观察不同条件变形后的微观组织。2 实验结果及分析2.1 真应力-真应变曲线图 1 和图 2 分别为 70%变形量时,不同变形条件下的真应力-真应变曲线。可以看出,在最初变形时,流变应力增加速度较快,随着试样继续变形速度逐渐放缓,当增加至一定程度时出现峰值应力,说明材料在压缩过程中发生了动态再结晶,随着应变量的继续增加,曲线出现稳态流变的特征。图 1 70%变形量时不同变形条件下的真应力-真应变曲线(a)0.01 s-1(b)0.1 s-1(c)1 s-1(d)10 s-1Fig.1 True stress-true strain curves under different deformation conditions at deformation amount of 70%热变形过程中,在其他条件不变的情况下,提高变形温度会使峰值应力及其对应的峰值应变降低,而应变速率对其的影响则相反。2.2 热变形本构方程由上述分析可以看出,在热变形过程中,变形温度、应变速率等会影响流变应力的大小,且高变形温度同低应变速率的作用相似4。Bruni C 等5根据 Arrhenius 关系采用幂律函数式(1)、指数定律式(2)以及双曲正弦函数式(3)分别描述不同应力水平下、T、之间的关系:932第 6 期白青青等:1Cr10Co6MoVNbN 航空用不锈钢的热变形行为 图 2 70%变形量时在 1100 变形温度下的真应力-真应变曲线Fig.2 True stress-true strain curves under deformation temperature of 1100 and deformation amount of 70%=A1n1exp-QRT()(1.2)(2)=Asinh()nexp-QRT()(所有情况)(3)式中:为应变速率,s-1;为流动应力,MPa;A、A1、A2为结构因子;Q 为热变形激活能,(Jmol-1);R 为摩尔气体常数,取 8.314 J(molK)-1;T 为变形温度,K;n、n1为应力指数;为与材料有关的参数,MPa;为应力水平参数,MPa-1,=/n16。用 Zener-Hollmon 参数 Z 来表示 T 与 之间的关系7-8:Z=expQRT()=Asinh()n(4)对式(1)式(3)两边取对数,得出:ln=lnA1+n1ln-QRT(5)ln=lnA2+-QRT(6)ln=lnA+nlnsinh()-QRT(7)根据式(5)式(7),绘制 ln-ln、ln-和ln-lnsinh()的关系曲线并拟合,如图 3a图 3c所示。得到各关系曲线的斜率平均值分别为 n1=15.89,=0.07 MPa-1,=/n1=0.0044 MPa-1,n=11。对式(7)进行转换,得出:lnsinh()=ln-lnAn+QRn1T(8)由式(8)可以推导出:Q=nRs(9)式中:s 为式(8)中 lnsinh()-1/T 关系曲线的斜率平均值。根据式(8)绘 lnsinh()-1/T 关系曲线并拟合,如图 3d 所示,得到曲线的斜率平均值为 s=7.28103,则 Q=665.69 kJmol-1。对式(4)两边取对数,得出:lnZ=ln+QRT=lnA+nlnsinh()(10)绘制 lnZ-lnsinh()关系曲线,如图 4 所示,可知其呈线性关系,得到 lnA=64.47,即 A=9.9651027。综上,1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的 Z 参数表达式和热变形方程分别为:Z=exp665686.21/(RT)(11)=9.965 1027sinh(0.004)11exp-665686.21/RT(12)2.3 热变形微观组织分析图 5 为 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢在 70%变形量下,以 0.01 s-1的应变速率压缩后不同温度下的微观组织。可以看出,在变形速率和变形量一定的情况下,变形温度对动态再结晶显微组织的影响明显。随变形温度的升高,动态再结晶体积分数增加,同时晶粒尺寸明显增大。在 800 压缩后,可观察到部分晶界出现弯曲,有少量细小的再结晶晶粒;在850 压缩后,晶界弯曲更加明显,细小的再结晶晶粒进一步增多;当温度增加至 900 时,晶界上出现明显的再结晶晶粒,温度继续升高,再结晶体积分数和晶粒尺寸均显著增加。在变形过程中,若变形激活能处于相同的数量级,则晶界迁移主要受温度的影响,温度越高,晶界迁移能力越强,更易于动态再结晶的形核和长大9-10。图 6 为 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢在 70%变形量时,在 1100 温度下压缩后不同应变速率下的微观组织。可知,随应变速率的增加,再结晶体积分数及晶粒尺寸呈先下降后上升的趋势。这是因为:当应变速率为 0.01 s-1时,由于变形时间较长,材料有充足的时间进行形核及长大,再结晶较为充分;应变速率为 1 s-1时,由于变形较快,晶界来不及迁移导致再结晶晶粒没有足够的时间长大,再结晶体积分数及晶粒尺寸最小;变形速率进一步提高至10 s-1时,较快的应变速率导致大量变形热的产生,致使晶粒长大。图 7 为 1100 和 0.01 s-1应变速率下,压缩至不同变形量时的微观组织。可知:变形量为 30%042锻压技术 第 48 卷图 3 不同变量之间的关系曲线(a)ln-ln(b)ln-(c)ln-lnsinh()(d)lnsinh()-1/TFig.3 Relationship curves of different variables图 4 lnZ-lnsinh()的关系曲线Fig.4 Relationship curve of lnZ and lnsinh()时,仅在三叉晶界处观察到再结晶晶粒;变形量为50%时,由于变形量增加,变形储能增加,再结晶的驱动力增加,动态再结晶大量形成;变形量为70%时,由于变形较慢,部分区域发生了动态再结晶,并伴随变形的进行而长大;变形量再次增加至临界值时,发生新的动态再结晶,而新的再结晶没有足够的时间长大,故出现大小晶粒混杂11。2.4 动态再结晶临界条件确定动态再结晶的临界应变 c对研究热变形具有重要意义,对于如何预测动态再结晶的临界条件,研究人员提出了许多数学模型。Mirzadeh H 等12比较了几种动态再结晶临界条件的确定方法后得出结论:-曲线分析法和 ln-曲线分析法是确定临界应力和临界应变最好的方法。本文采用-曲线分析法来确定临界应力和临界应变。加工硬化率 定义为=d/d,由于实验中得到的应力-应变曲线并不是数学意义上的光滑曲线,进行微分时曲线会产生较大波动,因此,首先对应力-应变曲线用七次多项式进行了拟合,获得光滑曲线,再进行微分运算13。图 8 为 0.1 和 10 s-1应变速率下的-曲线。由图 8 可见,随着流变应力的增加,加工硬化率先快速降低,后降低速率逐渐减慢,这是由于变形过程中有亚晶的形核及长大14,初始形核长大时对加工硬化率影响较大,导致加工硬化率快速下降,当亚晶形核长大即将结束时,加工硬化率降低的速率减慢,直至达到临界应力 c时发生动态再结晶,加工硬化率再次降低,当加工硬化率 减小到 0时,即达到峰值应力 p(对应的应变为峰值应变p)。由于在-曲线上难以直接得到较为准确的临界应力c值,采用文献15 的方法定义c为加142第 6 期白青青等:1Cr10Co6MoVNbN 航空用不锈钢的热变形行为 图 5 70%变形量、0.01 s-1应变速率下不同温度下的微观组织(a)800(b)850(c)900(d)950(e)1000(f)1050 (g)1100 Fig.5 Microstructures at stain rate of 0.01 s-1 and deformation amount of 70%under different temperatures图 6 70%变形量、1100 温度下不同应变速率下的微观组织(a)0.01 s-1(b)0.1 s-1(c)1 s-1(d)10 s-1Fig.6 Microstructures at temperature of 1100 and deformation amount of 70%under different strain rates242锻压技术 第 48 卷图 7 在 1100 和 0.01 s-1变形条件下不同变形量下的微观组织(a)30%,低倍(b)30%,高倍(c)50%,低倍(d)50%,高倍(e)70%,低倍(f)70%,高倍Fig.7 Microstructures at different deformation amounts under deformation condition of 1100 and 0.01 s-1(a)30%,low magnification(b)30%,high magnification(c)50%,low magnification(d)50%,high magnification(e)70%,low magnification(f)70%,high magnification图 8 70%变形量时不同应变速率下的加工硬化率与应力关系曲线(a)0.1 s-1(b)10 s-1Fig.8 Relation curves between work hardening rate and stress under different strain rates at deformation amount of 70%工硬化率 的二阶导数为 0 的点,对应的应变即为临界应变 c。采用上述方法得到各变形条件下的临界应力和峰值应力以及临界应变和峰值应变的数值,他们的关系如图 9 所示,曲线的拟合优度 r2分别为 0.99和 0.94,具有较高的精确度。将临界应力和峰值应力的比值以及临界应变和峰值应变的比值分别取平均值,得到如下数学关系:c=0.89p(13)c=0.47p(14)3 结论(1)在热变形过程中,通过提高应变速率和降低变形温度可使 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的峰值应力升高。(2)1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的双曲正弦函数为:=9.965 1027 sinh(0.004)11exp-665686.21/RT。(3)变形温度增加,1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的动态再结晶体积分数和晶粒尺寸增加;应变速率增加,再结晶体积分数及晶粒尺寸呈先下降后上升342第 6 期白青青等:1Cr10Co6MoVNbN 航空用不锈钢的热变形行为 图 9 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的临界应力-峰值应力(a)与临界应变-峰值应变(b)的关系曲线Fig.9 Relationship curves between critical stress and peak stress(a),critical strain and peak strain(b)of 1Cr10Co6MoVNbN stainless steel的趋势,变形速率为 1 s-1时,再结晶体积分数及晶粒尺寸最小;低应变速率下变形时,再结晶组织容易出现混晶形貌。(4)通过-曲线,确定试样的临界应力和峰值应力、临界应变和峰值应变的关系为:c=0.89p,c=0.47p。参考文献:1 吴增强,白银,马龙腾,等.650 马氏体耐热钢研究及其进展 J.钢铁,2015,50(5):1-6.Wu Z Q,Bai Y,Ma L T,et al.Research and development of martensitic creep-resistant steels for 650 J.Iron&Steel,2015,50(5):1-6.2 张福涛.新型 9Cr 和 12Cr 耐热钢热变形行为的研究 D.镇江:江苏大学,2018.Zhang F T.Study on Thermal Deformation Behavior of New Type 9Cr and 12Cr Heat-Resisting Steels D.Zhenjiang:Jiansu University,2018.3 郭淑娟,杨清凯.新型马氏体不锈钢 1Cr10Co6MOVNbN 热加工工艺研究 J.新技术新工艺,2012,292(4):76-78.Guo S J,Yang Q K.Research on the processing technology of new type of martensitic stainless steel 1Cr10Co6MoVNbN J.New Technology&New Process,2012,292(4):76-78.4 董建新.镍基合金管材挤压及组织控制 M.北京:冶金工业出版社,2014.Dong J X.Extrusion and Microstructure Control of Nickel-Base Al-loy Pipe M.Beijing:Metallurgical Industry Press,2014.5 Bruni C,Forcellese A,Gobrielli F.Hot workability and models for flow stress of NIMONIC 115Ni-base superalloy J.Journal of Materials Processing 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