新型低碳高合金轴承钢的热变形行为与热加工图

武雪婷, 吴志伟, 张 军

(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 610300;2. 钒钛资源综合利用国家重点实验室, 四川 攀枝花 617000)

随着国内外航空工业的不断发展,对航空用轴承材料综合性能提出了更严苛的要求。轴承在实际使用过程中需要面临高速、高应力、高温、冲击等恶劣的服役环境,因而要求轴承材料具有优异的高温性能和较好的强韧性匹配[1-3]。我国轴承钢经历数十年的研究,已发展至第三代[4],以CSS-42L钢为代表的第三代高温轴承钢由于具有良好的强韧性匹配、优异的耐腐蚀性、较高的高温硬度、寿命长等优点受到学者的广泛关注[5-7]。目前国内关于CSS-42L钢以及同类型材料的研究相对较少,已有的研究大多集中在热处理工艺[8]、磨削性能[9]及表面镀层后腐蚀性能[10-11]等方面。Yu等[8]研究了不同淬、回火温度下CSS-42L钢组织性能演变规律,阐明了热处理工艺对其组织性能的影响机理。陈凯[9]则对CSS-42L钢磨削加工性能进行评价并优化了磨削工艺参数。Wang等[10-11]通过沉积碳离子注入铬涂层来提高CSS-42L钢表面抗腐蚀性能。此外,钢铁研究总院在CSS-42L钢基础上研发了一种高Cr-Mo-Co型高温轴承钢,针对其组织性能调控进行了一系列研究,系统研究了淬火、深冷及回火等热处理工艺对其组织性能的影响,并对渗碳后材料疲劳性能进行了评价,阐明了其高温疲劳失效模式[12-16]。上述研究为国内第三代轴承钢组织调控及性能改善提供了重要的理论依据,为其工程化应用奠定了良好的基础。然而,关于此类钢种热变形行为及热加工图的相关研究鲜有报道。

本文以一种新型低碳高合金轴承钢为研究对象,利用Gleeble-3500热模拟试验机进行了等温热压缩试验,通过研究变形工艺参数对低碳高合金轴承钢热变形时流变应力的影响规律,建立高温本构模型,绘制变形量为50%的热加工图,为制定低碳高合金轴承钢热加工工艺和优化工艺参数提供参考。

1 试验材料与方法

试验钢主要化学成分(质量分数,%)为0.10～0.15C、10.0～15.0Cr、10.0～14.0Co、4.0～8.0Mo、1.5～3.0Ni、0.50～1.0V、0.01～0.05Nb,余量Fe及不可避免杂质。试验材料采用真空感应+真空自耗冶炼制得。在铸锭1/2半径处取φ8 mm×12 mm的圆柱试样,利用Gleeble-3500热模拟试验机进行单向热压缩试验。试样以5 ℃/s的速度升温至900～1200 ℃,保温5 min,使试样内部温度均匀,然后以0.01、0.05、0.1和1 s-1的应变速率进行等温热压缩试验,试样总变形量为50%。变形后试样空冷至室温,并沿变形方向取金相试样进行组织观察。采用3.5 g FeCl3+1 g CuCl2+2.5 mL HNO3+50 mL H2O+50 mL HCl+50 mL无水乙醇配置成的腐蚀液对金相试样进行腐蚀,并利用金相显微镜观察其微观组织。

2 试验结果与分析

2.1 高温流变应力曲线

试样在不同温度、不同变形速率下的真应力-真应变曲线如图1所示。可见,在变形开始阶段,随着应变增大,流变应力快速上升。这一阶段,材料在外力作用下变形,内部位错不断增殖进一步塞积,从而导致加工硬化。随着应变进一步增大,应力增幅减小,最后趋于平稳。说明在此阶段,由于材料内部发生再结晶带来的动态软化和外力作用引起的加工硬化相互抵消,表现在应力-应变曲线上为曲线趋于平缓。

图1 不同变形温度、应变速率下试验钢的真应力-真应变曲线Fig.1 True stress-true strain curves of the tested steel at different strain rates and deformation temperatures(a) 0.01 s-1; (b) 0.1 s-1; (c) 0.5 s-1; (d) 1 s-1

不同应变速率对试验钢热变形行为产生显著影响。当应变速率较低时(见图1(a)),真应力-真应变曲线出现了明显的下行趋势,尤其是当变形温度较高时(变形温度1100～1200 ℃),这一现象尤为显著。这是因为在低应变速率(0.01 s-1)下,由于变形温度较高,材料内部组织有充足的能量及时间发生动态再结晶甚至是晶粒长大,由此带来的动态软化导致应力-应变曲线表现为下降趋势。在低温低应变速率(900～1000 ℃、0.01～0.05 s-1)下,流变应力呈先升高后降低的变化趋势,说明在此条件下,材料内部可能发生动态回复或动态再结晶。在低温高应变速率(900～950 ℃,0.1～1 s-1)条件下,应力随应变增加平稳升高,由于变形温度低、变形速率快,材料内部组织缺乏充足的再结晶驱动力,材料在外力作用下发生加工硬化导致应力逐渐增大。在高温中高应变速率(1050～1200 ℃,0.05～0.1 s-1)条件下,应力随应变增加呈先增大后降低的变化趋势,说明在此变形条件下材料内部发生动态再结晶。而当应变速率为1 s-1时,所有变形温度下真应力-真应变曲线均呈现稳步增长的趋势,此时应变速率大,材料缺乏足够的时间来进行能量的积累和晶界的迁移,所以流变应力持续增大,曲线一直保持上升趋势。

由图1可知,较低的变形温度和变形速率均会降低试验钢的峰值应力。在相同的应变速率下,变形温度越高,材料的峰值应力越小。随着变形温度升高,材料内部原子的热激活能和动能增大,晶界迁移动力充足,材料容易发生动态回复与动态再结晶,因此峰值应力降低。对于应变速率为1 s-1的真应力-真应变曲线,随着变形温度由900 ℃增加到1200 ℃,变形抗力由大约360 MPa逐渐降低到大约95 MPa。而在相同的变形温度下,变形速率增大变形抗力也随之升高。在小变形速率下,由于发生了塑性变形,因而变形抗力较小;当变形速率较高时,达到相同变形量所需要的时间缩短,动态软化进行的不够充分,导致峰值应力相应增加。

2.2 流变应力曲线本构模型建立

(1)

当ασ<0.8时,

(2)

当ασ>1.2时,

(3)

在所有应力下,

(4)

对式(2)～(4)两边取对数,得:

(5)

(6)

(7)

对式(1)两边取自然对数,并假设热变形激活能与温度无关,可得:

(8)

图2 试验钢不同变量之间的线性回归分析Fig.2 Linear regression analysis between different variables of the tested steel

(9)

(10)

从图2可以看出,拟合直线与试验数据点之间的偏差较小,说明本模型适用于试验钢。

对比不同变形温度、应变速率下试验材料试验测得的峰值应力与计算值,并计算Z值与试验测得的ln[sinh(ασ)]线性相关度如图3所示。可以看出,试验测得的峰值应力与计算值吻合较好,线性相关系数R=0.9884,说明该模型能够较好的预测试验材料在热变形过程中不同应力不同温度下的峰值应力值,可以指导生产中计算热加工过程中的最大载荷。

图3 峰值应力试验值与计算值的比较Fig.3 Comparison of experimental and calculated peak stress values

2.3 热加工图

为了制定合适的热加工工艺参数,尽可能避免在加工过程中产生缺陷等,常常利用动态材料热加工图来为生产做指导。在热变形过程中,材料单位体积内所吸收的总功率由塑性变形消耗的能量G(功率耗散量)和变形过程中组织变化所消耗的能量J(功率耗散余量)两部分组成[19-20],可用下式表达:

(11)

由式(11)可知,在热变形过程中的能量消耗主要作用于材料塑性变形及组织转变,而应变速率敏感因子m则可用来表示两种能量消耗之间的分配系数:

(12)

式中:ε代表变形量。而对于非线性消耗过程则可以引出系数η,表示能量耗散效率:

(13)

式中:η是一个关于变形温度、应变速率和应变量的三元变量,反映了材料在变形过程中由于显微组织变化消耗的能量和热加工过程中消耗的总量之间的关系。当金属材料在热变形过程中,其热加工图中安全区内η的数值越大,表明外界对材料做的总功将更多地消耗在变形过程中材料的动态回复及动态再结晶方面,因此材料的热加工性能也越好。

根据不同变形条件下的应变速率敏感指数m值和功率耗散因子η绘制流变失稳判据的等值轮廓曲线,得到试验材料在变形量为50%时功率耗散图和失稳图,二者叠加得到热加工图如图4所示。图4(c)中阴影部分表示流变失稳区,可以看出,在低温高应变速率(900～1000 ℃,0.1～1 s-1)及高温高应变(1100～1200 ℃,0.1～1 s-1)条件下存在失稳区该区域η值小于0,表明在此加工条件下合金热加工性能急剧恶化。而在低温低应变速率(900～1000 ℃,0.01～0.1 s-1)及中高温低应变速率(1050～1200 ℃,0.01～0.1 s-1)区域内,η值均较高,说明在这两个工艺区间内,试验钢均具有较好的热加工性能。

图4 试验钢在变形量50%时的热加工图(a)功率耗散图;(b)失稳图;(c)热加工图Fig.4 Processing maps of the tested steel at deformation of 50%(a) power dissipation diagram; (b) instability diagram; (c) processing map

分别在低温低应变速率(900～1000 ℃,0.01～0.1 s-1)和中高温低应变速率(1050～1200 ℃,0.01～0.1 s-1)两个区间中选取1000 ℃、0.01s-1及1150 ℃、0.1 s-1变形条件,观察试样显微组织,结果如图5所示。结合其流变应力曲线(见图1)可知,当热变形温度较低,即使变形速率缓慢时,材料内部也仅发生动态回复,外界提供的热能不足以使材料发生动态再结晶,变形后试验钢组织呈现典型的热变形扁长状晶粒,且由于变形温度低,材料内部的合金碳化物未能溶解,并沿变形方向呈带状分布。而当变形温度较高时,材料内部合金碳化物大部分回溶至基体,且由于外界提供充足的热能及变形能,材料内部原子激活能高,能够在基体内能量较高的位置形核生成新的晶粒,呈现典型的动态再结晶组织,晶粒呈等轴状且晶粒尺寸细小均匀。因此可以确定材料最佳的热加工工艺参数范围为中高温低应变速率,即变形温度1050～1200 ℃、应变速率0.01～0.1 s-1。在此热变形条件下,试验钢不仅具有优良的热加工性能,且能够得到组织均匀晶粒细小的完全动态再结晶组织。

图5 不同工艺条件下试样的显微组织Fig.5 Microstructure of the specimens under different process conditions(a) 1000 ℃, 0.01 s-1; (b) 1150 ℃, 0.1 s-1

3 结论

1) 试验钢热变形工艺为900～1000 ℃、0.01～0.05 s-1时,流变应力-应变曲线表现为动态回复特征,1050～1200 ℃、0.01～0.1 s-1时,材料在变形过程中发生动态再结晶。应变速率较高时,应力随应变增大而增大,曲线一直保持上升的趋势。材料流变应力受变形温度及速率共同影响,变形温度升高流变应力逐渐降低,变形速率越大流变应力值越高。

2) 建立了低碳高合金轴承钢的热变形本构方程:

3) 总变形量50%时,在低温高应变速率(900～1000 ℃、0.1～1 s-1)和高温高应变速率(1100～1200 ℃、0.1～1 s-1)条件下材料容易产生流变失稳。而在中高温、中低应变速率区域内,η值较高,热加工性能最佳。结合热加工图及金相组织得到试验钢最佳的热加工工艺参数范围是:变形温度1050～1200 ℃、应变速率0.01～0.1 s-1。