王夢寒，陳明亮，王瑞，王根田

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400030)

2Cr12NiMo1W1V超臨界鋼高溫流變應(yīng)力模型及熱加工圖

王夢寒，陳明亮，王瑞，王根田

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400030)

為研究2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼的高溫變形行為，對其進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，得到其在變形溫度為1 123～1 373 K，應(yīng)變速率為0.005～5 s?1的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線，對流變應(yīng)力特征進(jìn)行研究，分析其高溫變形的物理本質(zhì)。采用Zener?Hollomon參數(shù)法構(gòu)建動態(tài)材料模型(DMM)，以熱壓縮試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立不同應(yīng)變下的熱加工圖。根據(jù)變形穩(wěn)定階段的熱加工圖確定該馬氏體不銹鋼熱變形的失穩(wěn)區(qū)和安全區(qū)。研究結(jié)果表明：采用該合金的高溫塑性變形本構(gòu)模型所得預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值擬合程度高，表明該合金在熱變形過程中的流變應(yīng)力可用構(gòu)建的雙曲正弦本構(gòu)模型來描述；熱加工圖受變形量影響較大，當(dāng)變形較小時，安全區(qū)隨著應(yīng)變增加而發(fā)生遷移，變形進(jìn)入穩(wěn)定階段后，安全區(qū)保持恒定；在低溫高應(yīng)變區(qū)(溫度為1 200～1 280 K，應(yīng)變速率為1～5 s?1)以及高溫低應(yīng)變區(qū)(溫度為1 320～1 400 K，應(yīng)變速率為0.1～0.3 s?1)這2個區(qū)域?yàn)樽冃伟踩珔^(qū)，適合2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼進(jìn)行熱加工。

超臨界馬氏體不銹鋼；本構(gòu)模型；熱加工圖

為了減少環(huán)境污染，提高火電汽輪機(jī)的熱效率，研發(fā)高效、低耗、節(jié)能的超臨界、超超臨界汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組成為火電行業(yè)發(fā)展的重要趨勢[1]。由于超臨界與超超臨界機(jī)組零件的工作環(huán)境惡劣，因此，要求使用高溫性能更好的材料[2]。2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼是在12% Cr系馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上加入Ni，Mo，V和W等合金元素冶煉而成[3]，不僅具有Cr12型馬氏體不銹鋼抗氧化、抗腐蝕性能，而且具有組元彌散帶來的熱強(qiáng)化、熱穩(wěn)定性能以及較好的綜合力學(xué)性能，是在300 MW汽輪機(jī)組中廣泛使用的超臨界鋼，主要用于制造汽輪機(jī)動葉片、缸體、轉(zhuǎn)子等零件，對于超臨界汽輪機(jī)的發(fā)展具有重要作用[4?5]。目前，國內(nèi)對于2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼的研究主要集中在冶煉和熱處理方面。羅通偉等[6]對2Cr12NiMo1W1V等12%Cr型葉片鋼熱軋生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，提出了控制鋼中δ-鐵素體的措施；DEGUCHI等[7?8]對超臨界馬氏體不銹鋼的鍛后熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)。目前，關(guān)于2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼成形性能的相關(guān)研究鮮有報道，由于技術(shù)保密，國外相關(guān)的研究報道也較少。為了明晰該材料的高溫變形行為，本文作者對2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，通過建立材料的雙曲正弦本構(gòu)模型及基于動態(tài)材料模型(DMM)的熱加工圖，研究溫度、應(yīng)變速率等參數(shù)對該不銹鋼材料高溫塑性變形的影響，以便為2Cr12NiMo1W1V鋼塑性成形的有限元模擬和熱加工工藝的制定提供必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考。

1　材料及實(shí)驗(yàn)方法

熱模擬壓縮試樣采用熱軋淬火態(tài)2Cr12NiMo1W1V馬氏體不銹鋼，試樣切割成直徑×高為8 mm×12 mm的圓柱體，并打磨光滑，在Gleeble?1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單向等溫壓縮實(shí)驗(yàn)。試樣壓縮前以10 K/s的加熱速率加熱到1 523 K，保溫3 min，得到均勻的奧氏體組織；然后以5 K/s速率降溫至變形溫度，保溫10 s以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度，減少變形誤差。隨后，試樣在不同溫度下以不同的應(yīng)變速率進(jìn)行等溫壓縮變形。單向熱壓縮實(shí)驗(yàn)的變形溫度分別為1 123，1 173，1 273和1 373 K，應(yīng)變速率分別為0.005，0.05，0.5和5 s?1，最大真應(yīng)變?yōu)?.7。為了減小摩擦對應(yīng)力狀態(tài)的影響，得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在試樣兩端涂覆潤滑劑并加貼了鉭片。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1熱變形流變曲線

對熱壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理后，獲得如圖1所示的2Cr12NiMo1W1V鋼在不同應(yīng)變率條件下的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線。由圖1可知：2Cr12NiMo1W1V鋼熱壓縮變形時，流變應(yīng)力變化趨勢基本一致；在變形初期，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而迅速增大。這是因?yàn)樵撾A段外加應(yīng)力使位錯密度增大，并發(fā)生了交割纏結(jié)，位錯滑移受到阻礙；而變形程度較低時，晶內(nèi)儲存能較小，只發(fā)生了少量的動態(tài)回復(fù)，加工硬化作用遠(yuǎn)大于軟化作用；隨著變形量增加，流變應(yīng)力增大速度減小，逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于位錯密度繼續(xù)增大，位錯的滑移和攀移逐漸發(fā)生，在變形激活能作用下，動態(tài)回復(fù)尤其是動態(tài)再結(jié)晶的作用也加強(qiáng)，加工硬化與動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶軟化逐漸達(dá)到動態(tài)平衡，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段，此時真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線趨于平直。

2Cr12NiMo1W1V鋼流變應(yīng)力還受溫度和應(yīng)變速率的影響。當(dāng)應(yīng)變速率一定時，隨著溫度升高，真應(yīng)力降低。這是由于溫度升高，金屬原子熱振動的振幅增大，原子間的相互作用減弱，原子的擴(kuò)散速度加快，位錯滑移阻力減小，且新的滑移系不斷產(chǎn)生，使動態(tài)再結(jié)晶能夠快速進(jìn)行，更快地抵消加工硬化。變形溫度越高，合金的動態(tài)軟化能力越強(qiáng)，流變應(yīng)力增加越慢，流變應(yīng)力峰值越小。當(dāng)溫度一定時，隨著應(yīng)變速率的增加，真應(yīng)力增加。這是由于隨著變形速率的增加，變形時間減少，位錯密度在短時間內(nèi)急劇增加，而再結(jié)晶來不及充分進(jìn)行，動態(tài)軟化作用弱于硬化作用，流變應(yīng)力不斷升高。2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼流變應(yīng)力峰值隨應(yīng)變速率增大而增大，是一種正應(yīng)變速率敏感材料。當(dāng)應(yīng)變速率較高時，合金在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的變形能，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時，熱量累積引發(fā)絕熱效應(yīng)，壓縮變形發(fā)生失穩(wěn)，使得流變應(yīng)力曲線出現(xiàn)震蕩特征，如圖1(d)所示。此外，當(dāng)應(yīng)變速率為5 s?1時，流變應(yīng)力曲線還出現(xiàn)鋸齒狀特性。這是因?yàn)樵诟邞?yīng)變速率下，合金的變形快，位錯的急劇增大導(dǎo)致合金發(fā)生不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化與再結(jié)晶晶粒的變形引起的硬化交替進(jìn)行，流變曲線出現(xiàn)周期性類似鋸齒狀的流變特征。

2.2流變應(yīng)力本構(gòu)模型

金屬和合金的熱加工變形是一個受熱激活能控制的過程，其流變行為可用流變應(yīng)力σ、應(yīng)變速率和變形溫度T三者之間的相互關(guān)系可用SELLARS等提出的包含變形激活能和溫度T的雙曲正弦形式的修正Arrhenius關(guān)系來描述[9?10]：

在不同的應(yīng)力水平，F(xiàn)(σ)有3種不同的表現(xiàn)形式：

低應(yīng)力水平(ασ＜0.8)時，

高應(yīng)力水平(ασ＞1.2)時，

在所有應(yīng)力水平下，

圖1　熱壓縮變形條件的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線Fig. 1 True stress?strain curves of hot compression

其中：A，n′，n，α和β為與溫度無關(guān)的常數(shù)，且α，β和應(yīng)力指數(shù)n之間滿足n/βα=；σ為流變曲線峰值應(yīng)力(MPa)；R為摩爾氣體常數(shù)(8.314 J/(mol·K))；T為變形溫度(K)；Q為變形激活能(kJ/mol)，反映了材料熱變形的難易程度。分別將式(2)～(4)代入式(1)并取對數(shù)，得到：

圖2　2Cr12NiMo1W1V鋼的流變應(yīng)力與應(yīng)變速率、變形溫度之間的關(guān)系Fig. 2 Relationships among strain rate,flow stress and deformation temperature of 2Cr12NiMo1W1V steel

金屬和合金熱加工變形時，應(yīng)變速率受到熱激活控制，為了綜合描述變形溫度和應(yīng)變速率對合金流變行為的影響，Zener等[11]提出了溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃覼：

根據(jù)式(9)可求得對應(yīng)的lnZ，進(jìn)而可作出lnZ ?ln[sinh(ασ)]的關(guān)系，見圖3。經(jīng)線性回歸發(fā)現(xiàn)lnZ與ln[sinh(ασ)]的線性相關(guān)系數(shù)為0.987，表明2Cr12NiMo1W1V鋼熱壓縮變形時的流變應(yīng)力與變形溫度與應(yīng)變速率之間可用Arrhenius關(guān)系描述。根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義和式(8)可將流變應(yīng)力表達(dá)成

對式(8)兩邊取對數(shù)得

圖3　流變應(yīng)力與參數(shù)ln Z之間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between flow stress and ln Z

將求得的A，n，α和Q代入式(1)，(8)和(10)得2Cr12NiMo1W1V鋼的熱變形流變應(yīng)力方程：

為驗(yàn)證推導(dǎo)的熱變形本構(gòu)模型的精確度，根據(jù)式(12)和式(13)計(jì)算出不同變形條件下的峰值應(yīng)力，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。從圖4可以看出：峰值應(yīng)力預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值很接近，最大相對誤差為9.15%，最小相對誤差為0.22%，平均相對誤差約為5.00%。實(shí)驗(yàn)測得的峰值應(yīng)力與由流變應(yīng)力本構(gòu)模型計(jì)算的峰值應(yīng)力非常接近，可為2Cr12NiMo1W1V鋼熱成形加工工藝的制定提供理論依據(jù)。

圖4　預(yù)測峰值應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值對比Fig. 4 Comparison of predicted peak stress and experimented peak stress

3　熱加工圖構(gòu)建及分析

PRASAD等[12]根據(jù)大塑性變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、物理模型和不可逆熱力學(xué)理論，建立了基于動態(tài)材料模型(dynamic materials model, DMM)的熱加工圖，可用于分析材料在不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下的高溫變形機(jī)制，獲得塑性加工的“失穩(wěn)區(qū)”和“安全區(qū)”，達(dá)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。

根據(jù)動態(tài)材料理論，熱加工變形是一個能量耗散過程，外界輸入的能量P消耗在2方面：一是用于材料的塑性變形，用G表示；二是用于材料顯微組織轉(zhuǎn)變，用J表示?？偰芰縋可表示為[13]

在指定溫度和應(yīng)變速率條件下，J和G的變化率可用應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m表示：

對于非線性耗散，可用能量耗散因子η反映材料的能量耗散特征。η隨溫度和應(yīng)變速率的變化構(gòu)成了能量耗散圖，表示材料微觀表征組織演變時功率的耗散。

將2Cr12NiMo1W1V鋼在特定變形量、不同變形條件下的真應(yīng)力?真應(yīng)變進(jìn)行擬合，得到lgσ關(guān)于的3次項(xiàng)擬合函數(shù)，代入式(15)可求得該變形量下的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m。m的波動反映了塑性變形內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變過程的變化。圖5所示為不同應(yīng)變下，應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m隨溫度、應(yīng)變速率變化的響應(yīng)特征曲面。從圖5可見：雖然2Cr12NiMo1W1V鋼的壓縮變形是一個復(fù)雜的動態(tài)轉(zhuǎn)變過程，但還是可以發(fā)現(xiàn)m對溫度、應(yīng)變速率的響應(yīng)存在一些明顯的共性規(guī)律；m隨著溫度的升高、應(yīng)變速率的降低而增大。這是因?yàn)闇囟仍礁撸腔婊频呐R界應(yīng)力越低，應(yīng)變速率越低，非基面滑移時間越長，使得非基面滑移成為主要變形機(jī)制，引起微觀組織轉(zhuǎn)變耗散熱量增加，導(dǎo)致m增加。此外，應(yīng)變對m也有較大影響。隨著壓縮應(yīng)變的增大，在滑移帶上會出現(xiàn)另一種變形機(jī)制機(jī)制即孿生。變形孿晶的大量出現(xiàn)，引起m增加[15]。m反映了塑性變形內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變耗散熱量的變化，但確定塑性變形的“失穩(wěn)區(qū)”、“安全區(qū)”還需結(jié)合能量耗散圖和流變失穩(wěn)圖進(jìn)一步分析。

圖5　不同應(yīng)變下，應(yīng)變速率敏感系數(shù)m對溫度及應(yīng)變速率的響應(yīng)曲面Fig. 5 Response surfaces of strain rate sensitivity m on temperature and strain at different strains

為應(yīng)變?yōu)?.2，0.3，0.4和0.5時的熱加工圖，圖中等值線的數(shù)字表示能量耗散因子η，陰影區(qū)為流變失穩(wěn)區(qū)。比較圖6中4個應(yīng)變量下的加工圖可發(fā)現(xiàn)：加工圖各個區(qū)域能量耗散因子η有明顯變化；隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，合金的耗散因子η不斷增大，而隨著應(yīng)變量的變化，η變化幅度不大；當(dāng)應(yīng)變較低時，低應(yīng)變速率失穩(wěn)區(qū)范圍較大；隨著應(yīng)變增加，低應(yīng)變速率失穩(wěn)區(qū)向低溫方向收縮，開始出現(xiàn)高溫失穩(wěn)區(qū)，并向高應(yīng)變速率方向遷移；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.3時，2Cr12NiMo1W1V鋼的熱加工圖基本保持恒定，“失穩(wěn)區(qū)”和“安全區(qū)”不再隨應(yīng)變發(fā)生顯著變化。這是由于應(yīng)變達(dá)到0.3后，材料熱變形進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，這與圖1反映的材料流變行為一致。

以應(yīng)變?yōu)?.5時的熱加工圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6(d)所示。2Cr12NiMo1W1V鋼在該條件下壓縮變形時，存在著圖中陰影所示的2個流變失穩(wěn)區(qū)。Ⅰ區(qū)是溫度為1 100～1 270 K、應(yīng)變速率為0.005～0.3 s?1時的低溫低應(yīng)變速率區(qū)域。這是由于在低應(yīng)變速率下，變形時間較長，合金傾向于發(fā)生再結(jié)晶，使得在原始晶界出現(xiàn)了大量不均勻彌散分布的新生再結(jié)晶晶粒；同時，再結(jié)晶是一個熱激活過程，當(dāng)溫度較低時，晶內(nèi)儲存能較低，不足以驅(qū)使合金發(fā)生完全再結(jié)晶。因此，晶界在運(yùn)動過程中受到新生再結(jié)晶晶粒的阻礙，導(dǎo)致不均勻變形，從而出現(xiàn)流變失穩(wěn)。Ⅱ區(qū)是溫度為1 300～ 1 400 K、應(yīng)變速率為1～5 s?1時的高溫高應(yīng)變速率區(qū)域。一方面，由于溫度較高時，合金的晶內(nèi)激活能較高，晶界和相界容易發(fā)生滑動，在晶界和相界面處形成大量位錯，造成應(yīng)力集中，合金發(fā)生不連續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶；另一方面，由于應(yīng)變速率較高時，變形時間短，在變形過程中產(chǎn)生的熱量難以散出，容易出現(xiàn)絕熱剪切效應(yīng)，形成絕熱剪切帶，使得該合金在絕熱剪切帶處出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象。2Cr12NiMo1W1V鋼壓縮變形達(dá)到穩(wěn)定時的變形安全區(qū)可分為2部分：一是低溫高應(yīng)變速率區(qū)域Ⅲ，溫度為1 200～1 280 K，應(yīng)變速率為1～5 s?1，由于應(yīng)變速率較高，合金變形快，合金變形來不及發(fā)生再結(jié)晶或只有少量的再結(jié)晶形核，該區(qū)域以動態(tài)回復(fù)為主；另一區(qū)域?yàn)楦邷氐蛻?yīng)變速率區(qū)域Ⅳ，溫度為1 320～1 400 K，應(yīng)變速率為0.1～0.3 s?1，該區(qū)域合金的功率耗散因子均大于0.3，最大值可達(dá)0.39，一般認(rèn)為功率耗散因子越大，能量耗散越低，合金的內(nèi)在加工性能越好[16]。Ⅳ區(qū)域溫度較高，原子的熱振動擴(kuò)大，原子擴(kuò)散速率增加，位錯運(yùn)動變得容易，晶界遷移能力提高，而應(yīng)變速率較低使得合金有充足的時間進(jìn)行動態(tài)再結(jié)晶和形核長大，在該區(qū)域塑性變形得到均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織，所以，2Cr12NiMo1W1V鋼在Ⅲ和Ⅳ區(qū)條件下進(jìn)行塑性變形最適宜。

圖6　不同應(yīng)變2Cr12NiMo1W1V鋼熱加工圖Fig. 6 Hot processing map for 2Cr12NiMo1 W1V steel at different strains

4　結(jié)論

1) 2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼的流變應(yīng)力在熱壓縮變形初期，隨應(yīng)變的增加而迅速增大，隨后真應(yīng)力并不隨著應(yīng)變的增大而發(fā)生明顯的變化，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征。溫度和應(yīng)變速率對流變應(yīng)力影響較大。在變形速率一定時，流變應(yīng)力隨溫度的升高而降低；在一定溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，流變應(yīng)力增大，為正應(yīng)變速率敏感材料。

2) 2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼穩(wěn)態(tài)應(yīng)力可用含參數(shù)Z修正的雙曲正弦模型描述，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值擬合程度較高，表明該模型可較好地表征材料的流變行為。流變應(yīng)力本構(gòu)方程為

3) 2Cr12NiMo1W1V超臨界馬氏體不銹鋼變形“失穩(wěn)區(qū)”和“安全區(qū)”在穩(wěn)態(tài)流變之前隨著應(yīng)變增大而發(fā)生遷移，達(dá)到穩(wěn)態(tài)變形后基本保持不變。2Cr12NiMo1W1V鋼熱變形存在2個最佳工藝參數(shù)區(qū)間，分別為低溫高應(yīng)變區(qū)(溫度為1 200～1 280 K，應(yīng)變速率為1～5 s?1)和高溫低應(yīng)變區(qū)(溫度為1 320～1 400 K，應(yīng)變速率為0.1～0.3 s?1)。

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(編輯 陳燦華)

High temperature flow stress model and hot processing map for 2Cr12NiMo1W1V supercritical steel

WANG Menghan, CHEN Mingliang, WANG Rui, WANG Gentian
(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

In order to study the high temperature deformation behavior of 2Cr12NiMo1W1V supercritical martensitic stainless steel, the true stress?strain curves from thermal compression test was studied to get the intrinsic properties at the temperature of 1 123?1 373 K, and the strain rate of 0.005?5 s?1. The constitutive model of the steel at elevated temperature was obtained by introducing Zener?Hollomon parameter, and the good agreement between the predicted and experimented values confirm that flow stress in the thermal deformation can be described by the hyperbolic sine constitutive equation. The processing maps in the case of different true strains based on dynamic material model and the experiment were analyzed. The results show that the hot processing maps are greatly influenced by strain, and the safety zone migrates with the increase of strain when the deformation is small, and keeps constant when the deformation is steady. The instability and safety zones of thermal deformation can also be recognized by the maps in stable stage, and the region of low temperature and high strain rate (temperature of 1 200?1 280 K, strain rate of 1?5 s?1), and region of high temperature and low strain rate (temperature of 1 320?1 400 K, strain rate of 0.1?0.5 s?1) are the safty zones, which are suitable for deformation of 2Cr12NiMo1W1V supercritical martensitic stainless steel.

supercritical martensitic stainless steel; constitutive model; hot processing map

TG146.2

A

1672?7207(2016)03?0741?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.005

2015?01?10；

2015?03?20

科技部重大專項(xiàng)(2012ZX04010-081) (Project(2012ZX04010-081) supported by the Major Project of the Ministry of Science and Technology)

王夢寒，博士(后)，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事金屬塑性成形工藝及模具CAD/CAE/CAM技術(shù)研究；E-mail: wmh9792@163.com