陳連生，閆博偉，李紅斌，2，田亞強，劉倩

(1.華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學教育部現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著全球能源與環(huán)境問題日益嚴峻，汽車制造正向著減輕自重的方向發(fā)展，用以滿足節(jié)能減排和安全環(huán)保的要求[1]。作為第3代先進高強鋼中最具代表的中錳鋼，可以很好地滿足安全與環(huán)保的要求。目前，對中錳鋼的研究主要集中在熱處理過程中的微觀組織及之后的力學性能等方面[2-5]，而在熱加工過程中，材料內(nèi)部會發(fā)生復(fù)雜的物理化學反應(yīng)如回復(fù)，再結(jié)晶，第二相析出等。此外，一些研究表明，奧氏體晶粒尺寸大小會影響到奧氏體的穩(wěn)定性[6]以及奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)[7]；顯然奧氏體穩(wěn)定性以及馬氏體轉(zhuǎn)變類型會對中錳鋼后續(xù)熱處理過程的組織調(diào)控產(chǎn)生影響，因此有必要對中錳鋼的熱加工行為展開研究。孫國寧[8]利用Sellars提出的模型構(gòu)建了Al-Mn-Er-Zr合金的高溫本構(gòu)方程，計算結(jié)果表明，應(yīng)力實測值與計算值誤差在6%以內(nèi)，可以很好地反應(yīng)高溫流變行為。此外，熱加工圖也是一種有效的輔助技術(shù)，可用于熱加工參數(shù)的設(shè)計與優(yōu)化[9]。蔡薇[10]通過高溫等溫壓縮實驗，繪制了Cu-Cr-Zr-Ti合金的熱加工圖，得到了此合金最佳的熱加工參數(shù)是變形溫度為900 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1。熱加工圖可以表明失穩(wěn)狀態(tài)與變形條件之間的關(guān)系，從而獲得材料的最佳熱加工窗口。但是這些分析都是基于壓縮過程中的流變曲線，但是在壓縮過程中，由于工件端部與壓頭之間會產(chǎn)生摩擦，這必然會對所得的曲線產(chǎn)生影響。

該研究采用單道次熱壓縮試驗，研究了中錳鋼的流變行為，并通過摩擦修正方法對流變曲線進行摩擦修正，根據(jù)摩擦因素修正后得到的流變曲線建立了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線本構(gòu)方程和熱加工圖，結(jié)合實驗微觀結(jié)構(gòu)，分析了微觀結(jié)構(gòu)演化與變形條件之間的關(guān)系，該研究旨在分析中錳鋼的熱變形行為，并預(yù)測出材料的最佳的熱加工工藝參數(shù)。

1 試驗材料及方法

采用真空感應(yīng)爐冶煉澆鑄了50 kg的微合金化中錳鋼鋼錠，其化學成分如表1所示。經(jīng)成分均勻化后，加工成φ8 mm×12 mm的圓柱體，在Gleeble3500熱模擬試驗機上進行壓縮試驗，變形溫度為900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃和1 150 ℃；應(yīng)變速率分別為0.01 s-1、0.1s-1、1s-1和10 s-1。實驗流程如圖1所示，表1 所示為實驗材料的化學成分。

圖1 實驗流程示意圖

表1 實驗材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 本構(gòu)方程的建立

2.1 流變曲線的摩擦修正

試樣在塑性加工過程中，壓頭與試樣之間會產(chǎn)生相對滑動的趨勢，因此，在壓縮過程中，會產(chǎn)生摩擦行為，摩擦的產(chǎn)生會進一步影響試樣在壓縮過程中的流動行為，變形前后的示意圖，如圖2所示。

圖2 試樣壓縮示意圖

該項研究采用Li[11]的方法對流變曲線進行摩擦修正，其修正結(jié)果與實際所得結(jié)果進行對比，如圖3所示。

圖3 實測應(yīng)力與改進摩擦修正應(yīng)力對比

由圖3中實測真應(yīng)力與修正真應(yīng)力對比可知，隨著試驗過程的進行，摩擦對所得曲線的影響越來越大，通過修正摩擦減小摩擦對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，隨著應(yīng)變速率的提升，每組曲線中的偏差程度也就越大，與傳統(tǒng)的方式[12]相比，更加切合實際。

2.2 本構(gòu)方程的建立

(1)

(2)

(3)

σ——流變應(yīng)力/MPa；

Q——應(yīng)變激活能/Kj·mol-1；

R——氣體常數(shù)/J ·(mol· K)-1；

T——絕對溫度/K；

σ0——指定應(yīng)變下應(yīng)力/MPa。

Z因子可以表示為：

(4)

對式(1)和式(2)取對數(shù)可得：

(5)

(6)

圖4 應(yīng)力與應(yīng)變速率關(guān)系

對式(3)取對數(shù)并進行求導(dǎo)可以得出：

(7)

(8)

圖5 ln[sinh(aσ)]-T與 ln[sinh(aσ)]-的曲線

對式(4)取對數(shù)可得：

lnZ=lnA+nln[sinh(aσ)]

(9)

將相應(yīng)參數(shù)的值帶入式(9)中，得到lnZ-ln[sinh(aσ)]ln[sinh(aσ)]的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 lnZ- ln[sinh(aσ)]關(guān)系曲線

由圖6可知，lnA=20.41，即A=4.81×1 013。

根據(jù)Lin[13]的構(gòu)建本構(gòu)方程方法，利用修正摩擦因素后得到的流變曲線數(shù)據(jù)，構(gòu)建本構(gòu)方程參數(shù)，4個參數(shù)與應(yīng)變ε之間的關(guān)系如圖7所示。

根據(jù)圖7，對數(shù)據(jù)進行擬合，得到參數(shù)與應(yīng)變之間的關(guān)系以及本構(gòu)方程：

Q=385.176 78+248.983 1ε+1 180.9311ε2+2 615.616 99ε3+2 108.400 91ε4-858.121 15ε5-1 451.292 47ε6

a=0.012 93-0.054 84ε+0.178 48ε2-0.243 72ε3+0.118 37ε4

n=15.904 04-63.322 07ε+232.101 63ε2-350.046 34ε3+181.409 52ε4

A=7.136 12×1013+2.723 689×1014ε+9.112 147×1014ε2-1.702 54×1014ε3-6.561 747 5×1015ε4

-1.220 017 46×1016ε5-6.808 393 5×1015ε6

(10)

圖7 參數(shù)Q、a、n、A隨應(yīng)變變化曲線

3 熱加工圖的繪制與分析

熱加工圖由功率耗散圖與流變失穩(wěn)圖組成。依據(jù)熱加工圖技術(shù)可以分析試驗鋼在不同變形條件下的熱變形行為，從而獲得熱加工過程中的優(yōu)良加工區(qū)域和不適于加工區(qū)域，從而達到控制組織演變、避免缺陷產(chǎn)生和優(yōu)化工藝參數(shù)的目的[14]。

3.1 功率耗散圖的繪制

根據(jù)動態(tài)材料學模型[15-20]的觀點，材料的成型過程可視為材料本身能量耗散的過程。消耗的能量包括成型過程所需的能量和成型過程中微觀演變需要的能量。其中微觀演變所需能量與總的消耗能量相比之值就是功率耗散因子的值，功率耗散因子可由式(11)求出。

(11)

在成型過程中，當微觀演變所需要的能量越接近總體消耗的能量時，也就是上式中分子越接近分母時，功率耗散因子的數(shù)值也就越大，這就意味著材料的動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的越完全。

3.2 流變失穩(wěn)圖的繪制

(12)

式中a、b、c、d——多項式的系數(shù)。

材料的失穩(wěn)判據(jù)為式 (13) 所示，將式 (12) 所求的4個參數(shù)值代入式(13)中，即可得到流變失穩(wěn)參數(shù)。

(13)

3.3 熱加工圖

將繪制成陰影的流變失穩(wěn)區(qū)域，疊加在功率耗散圖上，即為所得熱加工圖，如圖8所示，為不同應(yīng)變下的熱加工圖。

圖8 不同應(yīng)變下熱加工圖

由圖8可知，隨著真應(yīng)變的增大，最大的功率耗散因子值均出現(xiàn)在1 050～1 150 ℃、應(yīng)變速率在0.01～0.05 s-1區(qū)間內(nèi)，功率耗散因子的值介于0.36～0.55之間。根據(jù)文獻[22，23]功率耗散因子值大的區(qū)域?qū)?yīng)為動態(tài)再結(jié)晶。在功率耗散因子值大的區(qū)域內(nèi)，材料的流動應(yīng)力隨真應(yīng)變的增大而減小，材料發(fā)生軟化。因此，由該區(qū)域的微觀演變機制結(jié)合圖9可知，材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。而熱加工圖上的流變失穩(wěn)區(qū)在900～1 000 ℃時，隨著真應(yīng)變的增加逐漸向高應(yīng)變速率處發(fā)生了移動，而在真應(yīng)變0.5～0.8，1 050～1 150 ℃區(qū)域時，流變失穩(wěn)區(qū)逐漸向低應(yīng)變速率處發(fā)生移動。綜上所述，材料最佳的熱加工區(qū)間在1 050～1 150℃、應(yīng)變速率在0.01～0.05 s-1區(qū)間內(nèi)。

圖9 再結(jié)晶區(qū)域與失穩(wěn)區(qū)域組織圖

由圖9(a)、圖9(b)可知，在1 150 ℃、0.01～0.1 s-1區(qū)域內(nèi)，材料的微觀結(jié)構(gòu)為再結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)，晶粒形狀多為多邊形形狀，具有良好的加工性能，隨著應(yīng)變速率增加，變形時間縮短，再結(jié)晶晶粒的尺寸逐漸減小。此外，由圖9(c)、圖9(d)可知，在變形溫度為900 ℃，應(yīng)變速率為10 s-1和變形溫度為950 ℃，應(yīng)變速率為1 s-1的失穩(wěn)區(qū)域內(nèi)，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)中一小部分發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，大部分組織結(jié)構(gòu)為不規(guī)則形狀或被拉長的晶粒，合金處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在低溫高應(yīng)變速率條件變形下，短時間內(nèi)動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生不充分，塑性變形過程的進行引起位錯密度增加，位錯密度增加之后使得不同方位上位錯堆積纏結(jié)，致使位錯的運動受到不同方位上位錯的阻礙，從而使得加工硬化非常明顯，所以該加工區(qū)域為失穩(wěn)區(qū)域，材料內(nèi)部混晶嚴重，在隨后的相變過程中，粗大的奧氏體晶粒會轉(zhuǎn)變成粗大的馬氏體，往往超過常規(guī)的馬氏體要求[24]。在加工過程中，當受力不均勻時在粗細晶交界處或粗晶內(nèi)首先形成裂紋，所以失穩(wěn)區(qū)域不可應(yīng)用于加工。

4 結(jié)論

(1)得到材料的應(yīng)變激活能Q的范圍為363～375Kjmol-1，并構(gòu)建了基于雙曲正弦函數(shù)的全應(yīng)變本構(gòu)方程。

(2)根據(jù)熱加工圖計算結(jié)果表明，溫度在1 050～1 150 ℃、應(yīng)變速率在0.01～0.05 s-1時可以獲得較為細小的奧氏體晶粒。并通過對相應(yīng)參數(shù)下的奧氏體晶粒進行金相檢驗，驗證了預(yù)測結(jié)果的準確性。

(3)由微觀組織分析可知，在預(yù)測的實驗參數(shù)條件下，組織為再結(jié)晶組織，而在失穩(wěn)參數(shù)下，組織為細小晶粒與變形后形成的條狀晶粒形成的混晶組織，在加工過程中，當受力不均勻時在粗細晶交界處或粗晶內(nèi)首先形成裂紋，所以失穩(wěn)區(qū)域不可應(yīng)用于加工。