柳木桐,鐘 平,劉大博,王克魯,張開(kāi)銘,魯世強(qiáng)
(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 鋼與稀貴金屬研究所,北京 100095;2.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院,南昌 330063)
作為一種新型結(jié)構(gòu)材料,S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在具有高強(qiáng)度、高斷裂韌度和良好疲勞性能的同時(shí),還具有比300M 鋼、AerMet100 鋼等更好的耐腐蝕性能[1-2],主要應(yīng)用于航空、航天、海洋工程等工業(yè)領(lǐng)域,如制造飛機(jī)起落架、緊固件、發(fā)動(dòng)機(jī)主軸和飛船外殼等[3-4]。目前,針對(duì)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的研究主要集中在熱處理工藝對(duì)組織和力學(xué)性能的影響、點(diǎn)蝕行為等方面,如Zhong等[5]研究固溶和鍛造溫度對(duì)S280 鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響,分析強(qiáng)韌化機(jī)制,認(rèn)為較高的固溶溫度可以提高沖擊韌性;經(jīng)1080 ℃固溶+560 ℃時(shí)效后,由于細(xì)小碳化物的析出,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高。鐘錦巖等[6]利用透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡分析S280 鋼不同時(shí)效工藝下的析出特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)該鋼存在一種新型的析出相Cr2C。田帥等[7]分析S280 鋼經(jīng)不同工藝噴丸強(qiáng)化后試樣的表面形貌、粗糙度、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命及疲勞斷口形貌,結(jié)果表明,噴丸強(qiáng)化后,S280 鋼的疲勞壽命有顯著提高,且大強(qiáng)度的鑄鋼丸噴丸對(duì)其疲勞壽命的提高更為有利;噴丸前后,S280 鋼的疲勞裂紋源均在表面,但噴丸強(qiáng)化可使疲勞裂紋由多源變?yōu)閱卧?。Zhong等[8]研究飛機(jī)起落架常用的300M 鋼和S280 鋼的點(diǎn)蝕行為,并使用點(diǎn)缺陷模型進(jìn)行解釋和分析,結(jié)果表明,與300M 鋼相比,S280 鋼表現(xiàn)出更好的抗點(diǎn)蝕能力。詹中偉等[9]采用電化學(xué)極化方法,測(cè)試S280 鋼不同工藝參數(shù)條件下鈍化膜的電化學(xué)特性,結(jié)果表明,S280 鋼鈍化膜結(jié)構(gòu)致密,可使耐腐蝕性能大幅度提高。目前尚未檢索到對(duì)S280 鋼熱變形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和塑性變形機(jī)制進(jìn)行分析的研究報(bào)道。
基于動(dòng)態(tài)材料模型(dynamic material model,DMM)理論[10]的加工圖技術(shù)可以很好描述材料熱變形過(guò)程中的微觀組織演變規(guī)律,分析不同工藝條件下的變形機(jī)制,如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、超塑性、局部流動(dòng)、絕熱剪切、動(dòng)態(tài)回復(fù)和裂紋等,并可獲得優(yōu)化的變形工藝窗口。目前,加工圖技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于分析鈦合金、鋁合金、高溫合金和鎂合金等材料的熱變形工藝特征。吳靜怡[11]研究Ti-555 新型鈦合金的熱變形行為,構(gòu)建加工圖,并根據(jù)加工圖確定出2 個(gè)適宜的變形工藝窗口,分別為變形溫度850~950 ℃、應(yīng)變速率0.6~10 s?1和變形溫度950~1150 ℃、應(yīng)變速率0.36~0.9 s?1,對(duì)應(yīng)的主要變形機(jī)制分別為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)。高文理等[12]對(duì)熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)獲得的5083 鋁合金的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦修正,并根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)構(gòu)建了加工圖,發(fā)現(xiàn)隨真應(yīng)變的增加,失穩(wěn)區(qū)域向高應(yīng)變速率、高變形溫度區(qū)域擴(kuò)展,最終得到適宜的熱變形工藝窗口為變形溫度400~500 ℃、應(yīng)變速率0.01~0.1 s?1和變形溫度340~450 ℃、應(yīng)變速率0.001~0.01 s?1,并認(rèn)為隨變形溫度升高與應(yīng)變速率降低,主要軟化機(jī)制由動(dòng)態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶。劉昭昭等[13]構(gòu)建GH4133B 鎳基高溫合金的加工圖,結(jié)合微觀組織觀察,確定出其最佳變形溫度和應(yīng)變速率分別為1020~1060 ℃和0.01~0.1 s?1,在該變形工藝窗口下,合金獲得了均勻細(xì)小的等軸晶粒。支盛興等[14]基于動(dòng)態(tài)材料模型構(gòu)建擠壓態(tài)AZ40鎂合金的加工圖,并通過(guò)加工圖及微觀組織分析,確定出最佳變形工藝參數(shù)為變形溫度300 ℃和應(yīng)變速率0.1 s?1,對(duì)應(yīng)的變形機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。加工圖技術(shù)也應(yīng)用于鋼鐵材料的變形工藝參數(shù)確定和優(yōu)化,如祁榮勝等[15]分析300M鋼在變形溫度850~1200 ℃、應(yīng)變速率0.001~10 s?1條件下的熱變形行為,構(gòu)建加工圖,最終得到的較佳變形工藝窗口為變形溫度900~1200 ℃、應(yīng)變速率0.001~0.1 s?1,對(duì)應(yīng)的變形機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。Ye等[16]根據(jù)超大型核電轉(zhuǎn)子用25Cr2Ni4MoV鋼大型鍛件開(kāi)式模鍛的特點(diǎn),進(jìn)行變形溫度1100~1300 ℃和應(yīng)變速率0.001~0.1 s?1范圍的熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn),基于動(dòng)態(tài)材料模型構(gòu)建三維加工圖,得到的最佳熱變形工藝窗口為變形溫度1105~1150 ℃、應(yīng)變速率0.0067~0.01 s?1,其峰值功率耗散效率達(dá)到0.5。?ukaszek-Solek等[17]研究4340 鋼的熱變形行為,確定出最佳鍛造工藝窗口,并進(jìn)行數(shù)值模擬和工業(yè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證加工圖方法的可靠性。目前對(duì)S280 鋼基于加工圖的熱變形工藝參數(shù)優(yōu)化鮮有報(bào)道。
本研究在S280 超高強(qiáng)度不銹鋼等溫恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析熱變形工藝參數(shù)對(duì)該合金鋼流變行為的影響特點(diǎn);構(gòu)建不同應(yīng)變下的加工圖,獲得失穩(wěn)變形工藝窗口和較佳變形工藝窗口,并通過(guò)變形微觀組織觀察和分析,驗(yàn)證加工圖的準(zhǔn)確性。
實(shí)驗(yàn)材料為10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE (S280)超高強(qiáng)度不銹鋼,主要化學(xué)成分如表1所示,典型力學(xué)性能如表2所示。
表1 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/ %)Table 1 Chemical composition of S280 ultra-high strength stainless steel (mass fraction/ %)
表2 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的典型力學(xué)性能Table 2 Typical mechanical properties of S280 ultra-high strength stainless steel
采用Thermecmaster-Z 熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn),試樣為?8 mm×12 mm的圓柱體。實(shí)驗(yàn)前在試樣的兩端墊云母片以減少壓縮過(guò)程中接觸面之間的摩擦和高溫粘連,減少試樣的變形不均勻性。變形溫度分別為800、850、900、950、1000、1050、1100、1150 ℃;應(yīng)變速率分別為0.001、0.01、0.1、1、10 s?1;壓下率為70%,對(duì)應(yīng)的真應(yīng)變約1.2。以5 ℃/s的升溫速率將試樣加熱至設(shè)定的變形溫度,保溫5 min 后按照設(shè)定的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮,壓縮后采用氬氣將試樣冷卻至室溫。壓縮后的試樣使用線切割機(jī)沿軸向?qū)Π肭虚_(kāi),打磨、拋光后采用50%硝酸進(jìn)行電解腐蝕,在XJP-9A型金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察。
圖1 為S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在不同變形工藝參數(shù)下的流變應(yīng)力曲線。從圖1 可以看出,變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)S280 鋼的熱變形行為有顯著影響。在變形初始階段,即真應(yīng)變較小時(shí),因塑性變形引起的位錯(cuò)增生、纏結(jié)和堆積而導(dǎo)致的加工硬化效應(yīng)占主導(dǎo)地位,使得流變應(yīng)力隨真應(yīng)變的增加急劇升高[18-19]。隨真應(yīng)變的繼續(xù)增加,由于位錯(cuò)的交滑移、攀移和湮滅,發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,尤其是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大更易導(dǎo)致位錯(cuò)湮滅,從而降低加工硬化速率,使得流變應(yīng)力上升的趨勢(shì)有所減緩。在真應(yīng)變0.1~0.2 左右時(shí)流變應(yīng)力達(dá)到峰值,之后隨真應(yīng)變的進(jìn)一步增大,因動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)超過(guò)加工硬化效應(yīng),導(dǎo)致流變應(yīng)力開(kāi)始緩慢下降。當(dāng)變形溫度較低、應(yīng)變速率較高時(shí),動(dòng)態(tài)軟化主要由動(dòng)態(tài)回復(fù)和變形熱效應(yīng)引起;變形溫度較高、應(yīng)變速率較低時(shí),動(dòng)態(tài)軟化主要由動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起[20-21]。不同工藝參數(shù)條件下,流變應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)態(tài)軟化程度各不相同,在變形溫度較低和應(yīng)變速率較高時(shí),動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)更為明顯些。
圖1 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼不同工藝參數(shù)下的流變應(yīng)力曲線 (a)800 ℃;(b)900 ℃;(c)1000 ℃;(d)1100 ℃Fig.1 Flow stress curves of S280 ultra-high strength stainless steel under different process parameters (a)800 ℃;(b)900 ℃;(c)1000 ℃;(d)1100 ℃
S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加和變形溫度降低顯著升高,說(shuō)明該合金是正應(yīng)變速率和負(fù)溫度敏感型材料。流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而升高的主要原因?yàn)椋弘S應(yīng)變速率增加,位錯(cuò)增殖加快,高密度位錯(cuò)纏結(jié)加?。煌瑫r(shí),由于變形時(shí)間較短,動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軟化機(jī)制進(jìn)行不充分,從而導(dǎo)致流變應(yīng)力增大[22-23]。而流變應(yīng)力隨變形溫度降低而升高的主要原因:隨變形溫度降低,原子動(dòng)能降低,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的臨界分切應(yīng)力升高,位錯(cuò)移動(dòng)的活性和開(kāi)動(dòng)的滑移系減少;相鄰晶粒的協(xié)調(diào)變形能力降低,不均勻變形所引起的局部應(yīng)力集中增加,且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核率減少,動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)減弱,這些因素導(dǎo)致流變應(yīng)力增大[16,22-23]。
由動(dòng)態(tài)材料模型理論可知[10,24],材料塑性變形過(guò)程中的微觀組織演變與功率耗散有關(guān)。熱變形過(guò)程中,DMM 模型將材料看作是一個(gè)功率耗散體,塑性變形吸收的總能量P 由熱變形過(guò)程所消耗的能量(功率耗散量)G和微觀組織轉(zhuǎn)變消耗的能量(功率耗散協(xié)量)J 兩部分組成[25-26]。P、G和J 三者之間的關(guān)系如式(1)、(2)、(3)所示:
當(dāng)變形溫度和應(yīng)變一定時(shí),流變應(yīng)力可表示為:
對(duì)于m=1的理想線性耗散狀態(tài)來(lái)說(shuō),J具有最大值Jmax= P/2。定義J/Jmax為功率耗散因子η,其計(jì)算公式如式(5)所示:
η 是無(wú)量綱參數(shù),其隨應(yīng)變速率和變形溫度變化的等值線圖即為功率耗散圖。η 值較高的區(qū)域通常對(duì)應(yīng)較佳的加工性能區(qū)域[27-28]。
Murty等[29-30]在研究材料熱變形行為時(shí),提出了如下的流變失穩(wěn)準(zhǔn)則:
即,當(dāng)材料滿足式(6)時(shí)會(huì)發(fā)生失穩(wěn)變形。
利用等溫恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)獲得的S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在不同變形溫度、不同應(yīng)變速率和不同應(yīng)變下的流變應(yīng)力數(shù)據(jù),通過(guò)功率耗散因子η的計(jì)算公式(5)和Murty 流變失穩(wěn)準(zhǔn)則式(6),構(gòu)建出S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在應(yīng)變0.3、0.6、0.9、1.2下的加工圖,如圖2所示。圖2中的曲線為功率耗散因子η的等值線,圖中的數(shù)字為對(duì)應(yīng)等值線的η 值,灰色陰影部分為滿足失穩(wěn)準(zhǔn)則的失穩(wěn)變形區(qū)。
圖2 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼不同應(yīng)變下的DMM 加工圖 (a) ε=0.3;(b)ε=0.6;(c)ε=0.9;(d)ε=1.2Fig.2 DMM processing maps of S280 ultra-high strength stainless steel under different strains (a) ε=0.3;(b) ε=0.6;(c)ε=0.9;(d) ε=1.2
從圖2 可以看出,失穩(wěn)變形區(qū)出現(xiàn)在加工圖中的左上角,即失穩(wěn)區(qū)主要出現(xiàn)在低溫、高應(yīng)變速率范圍。應(yīng)變對(duì)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼失穩(wěn)變形區(qū)有一定的影響,將不同應(yīng)變下的失穩(wěn)變形區(qū)疊加在一起作為失穩(wěn)變形區(qū)的窗口條件,其結(jié)果如圖3所示。從圖3 可知,S280 超高強(qiáng)度不銹鋼失穩(wěn)變形窗口條件大致為800~1040 ℃、0.06~10 s?1;穩(wěn)定變形工藝窗口大致為800~1040 ℃、0.001~0.06 s?1和1040~1150 ℃、0.001~10 s?1。在失穩(wěn)變形區(qū),功率耗散因子η 值總體較小,說(shuō)明在失穩(wěn)區(qū)用于微觀組織演變的能量消耗較??;而在穩(wěn)定變形區(qū)的功率耗散因子η 值均大于失穩(wěn)變形區(qū),這說(shuō)明在穩(wěn)定變形區(qū)用于微觀組織演變的能量消耗要高于失穩(wěn)變形區(qū)。對(duì)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼成形而言,實(shí)際熱成形時(shí)應(yīng)盡量避免在失穩(wěn)變形區(qū)進(jìn)行。因此,在低溫階段(800~1040 ℃)應(yīng)盡量選擇較低的應(yīng)變速率(小于0.06 s?1)進(jìn)行熱變形;而在高溫階段(1040~1150 ℃),為提高生產(chǎn)效率,可選擇較高的應(yīng)變速率進(jìn)行熱變形。
圖3 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼不同應(yīng)變下失穩(wěn)圖的疊加Fig.3 Superposition of instability diagrams of S280 ultrahigh strength stainless steel under different strains
一般來(lái)說(shuō),高η 值的收斂區(qū)域用于微觀組織演變的能量較多,通常對(duì)應(yīng)較佳的熱加工性能。從圖2 可以看出,不同真應(yīng)變條件下,穩(wěn)定變形區(qū)中存在的高η 值的收斂區(qū)域有所不同。真應(yīng)變?yōu)?.3 時(shí),高η 值的收斂區(qū)域?qū)?yīng)的工藝參數(shù)范圍如圖2(a)中的Ⅰ和Ⅱ區(qū)域所示,這兩個(gè)工藝窗口對(duì)應(yīng)著較佳熱加工工藝條件,其工藝參數(shù)范圍分別為:870~1010 ℃、0.001~0.008 s?1;1080~1150 ℃、0.001~0.06 s?1。真應(yīng)變?yōu)?.6 時(shí),高η 值的收斂區(qū)域?qū)?yīng)的工藝參數(shù)范圍如圖2(b)中的Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ區(qū)域所示,其工藝參數(shù)范圍分別為:845~880 ℃、0.001~0.002 s?1;940~985 ℃、0.001~0.005 s?1;1090~1150 ℃、0.001~0.06 s?1。真應(yīng)變?yōu)?.9 時(shí),高η 值的收斂區(qū)域?qū)?yīng)的工藝參數(shù)范圍如圖2(c)中Ⅵ和Ⅶ區(qū)域所示,其工藝參數(shù)范圍分別為:850~875 ℃、0.001~0.002 s?1;1090~1150 ℃、0.001~0.06 s?1。真應(yīng)變?yōu)?.2 時(shí),高η 值的收斂區(qū)域?qū)?yīng)的工藝參數(shù)范圍如圖2(d)中的Ⅷ區(qū)域所示,其工藝參數(shù)范圍為:1095~1150 ℃、0.001~0.04 s?1。
因?qū)嶋H熱變形時(shí)鍛件的應(yīng)變分布往往是不均勻分布,為保證鍛件的不同應(yīng)變部位均處于較佳的工藝參數(shù)范圍,需獲悉不同應(yīng)變下高η 值收斂區(qū)域的交集區(qū)域,即將不同應(yīng)變下共有的高η 值收斂區(qū)域作為較佳熱變形工藝窗口。據(jù)此,從圖2中可以確定出不同應(yīng)變下的較佳熱變形工藝窗口為1095~1150 ℃、0.001~0.04 s?1;其中最佳變形工藝參數(shù)在1125 ℃、0.001 s?1附近。S280 超高強(qiáng)度不銹鋼熱變形時(shí),應(yīng)盡量選擇在上述較佳或最佳的工藝窗口條件下進(jìn)行鍛造變形。
圖4 為應(yīng)變1.2 時(shí)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在失穩(wěn)變形區(qū)的變形微觀組織。從圖4 可以看出,在變形溫度800 ℃和850 ℃、應(yīng)變速率10 s?1下,微觀組織中可觀察到輕微的局部塑性流動(dòng)現(xiàn)象,局部流動(dòng)方向大致與壓縮軸成45°。出現(xiàn)局部流動(dòng)將導(dǎo)致S280 超高強(qiáng)度不銹鋼塑性變形能力變差,力學(xué)性能不均勻,因此應(yīng)避免在此工藝窗口進(jìn)行熱變形。在所研究的工藝參數(shù)條件下,局部流動(dòng)現(xiàn)象并不嚴(yán)重。
圖4 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼失穩(wěn)變形區(qū)微觀組織 (a)800 ℃、10 s?1;(b)850 ℃、10 s?1Fig.4 Microstructures of S280 ultra-high strength stainless steel in the instability zone (a)800 ℃,10 s?1;(b)850 ℃,10 s?1
圖5 為應(yīng)變1.2 時(shí)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在穩(wěn)定變形區(qū)的變形微觀組織。圖5(a)對(duì)應(yīng)的變形工藝參數(shù)1100 ℃、0.001 s?1位于加工圖中高η 值收斂區(qū)域的較佳工藝條件附近,其η 值約0.35;圖5(b)對(duì)應(yīng)的變形工藝參數(shù)1150 ℃、0.01 s?1同樣位于加工圖高η 值收斂區(qū)域的較佳工藝條件附近,其η 值約0.38。從圖5 可以明顯地觀察到原始組織已經(jīng)被晶界輪廓清晰的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織所取代,其主要塑性變形機(jī)制均為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程可以消除缺陷,重建微觀組織結(jié)構(gòu),是一種理想的塑性變形機(jī)制[31-32],這對(duì)提高材料的成形加工能力和力學(xué)性能是有利的。
圖5 S280 超高強(qiáng)度不銹鋼穩(wěn)定變形區(qū)微觀組織 (a)1100 ℃、0.001 s?1;(b)1150 ℃、0.01 s?1Fig.5 Microstructures of S280 ultra-high strength stainless steel in the stability zone (a)1100 ℃,0.001 s?1;(b)1150 ℃,0.01 s?1
以上微觀組織驗(yàn)證結(jié)果表明,基于Murty 失穩(wěn)準(zhǔn)則的加工圖所預(yù)測(cè)的結(jié)果是準(zhǔn)確的。
(1)S280 超高強(qiáng)度不銹鋼的流變應(yīng)力對(duì)變形溫度和應(yīng)變速率較為敏感,其值隨應(yīng)變速率增加和變形溫度降低而明顯增大。
(2)基于DMM 模型和Murty 失穩(wěn)準(zhǔn)則,構(gòu)建了S280 超高強(qiáng)度不銹鋼在不同應(yīng)變下的加工圖。由加工圖確定出的失穩(wěn)變形工藝窗口為800~1040 ℃、0.06~10 s?1;穩(wěn)定變形工藝窗口為800~1040 ℃、0.001~0.06 s?1和1040~1150 ℃、0.001~10 s?1。這說(shuō)明,若在低溫段(800~1040 ℃)進(jìn)行熱變形,則應(yīng)盡量選擇較低的應(yīng)變速率(小于0.06 s?1);若在高溫段(1040~1150 ℃)進(jìn)行熱變形,則可選擇較高的應(yīng)變速率以提高生產(chǎn)效率。
(3)根據(jù)加工圖確定出較佳熱變形工藝窗口為1095~1150 ℃和0.001~0.04 s?1,最佳熱變形工藝參數(shù)在1125 ℃和0.001 s?1附近。實(shí)際熱變形應(yīng)盡量選擇在最佳或較佳工藝條件下進(jìn)行,這樣可提高合金的熱變形加工能力,獲得無(wú)缺陷的組織與性能穩(wěn)定一致的鍛件。
(4)失穩(wěn)變形區(qū)的塑性變形機(jī)制主要為局部塑性流動(dòng);穩(wěn)定變形區(qū)的塑性變形機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。