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王  鑫  董洪波  鄒忠波  王明主
（南昌航空大學航空制造工程學院）
摘要采用Gleeble-3500熱模擬試驗機對超高強度鋼AerMetl00進行熱壓縮試驗，研究其在變形溫度為850～1150℃和應變速率為0. 01～10 s-1條件下的動態(tài)再結晶行為。結果表明，通過分析應力一應變曲線的特征及金相觀察，可知Aer-Metl00鋼在不同變形條件下呈現(xiàn)出加工硬化、動態(tài)回復及動態(tài)再結晶特征，且變形溫度的升高與應變速率的降低均有利于發(fā)生動態(tài)再結晶。通過對熱變形試驗數(shù)據(jù)的分析計算，建立了高溫變形本構關系，動態(tài)再結晶臨界應變模型和動態(tài)再結晶體積分數(shù)模型。利用所建立模型對動態(tài)再結晶行為進行預測，得到變形溫度的下降及應變速率的增加會推遲動態(tài)再結晶發(fā)生。
     金屬材料在熱加工過程中的微觀組織演變及熱變形行為通常較為復雜，在高溫變形過程一般會發(fā)生加工硬化、動態(tài)回復和動態(tài)再結晶、亞動態(tài)再結晶、靜態(tài)再結晶等行為。其中，動態(tài)再結晶對材料的晶粒細化及降低流變應力的作用最顯著。因此，了解熱變形過程中動態(tài)再結晶行為與變形參數(shù)之間的規(guī)律對優(yōu)化金屬熱加工工藝、細化晶粒、提高材料力學性能具有重要的意義。
     AerMetl00鋼是一種新型高Co高Ni二次硬化超高強度鋼，具有抗拉強度和疲勞強度、韌性和抗應力腐蝕、抗疲勞裂紋斷裂的最佳配合，廣泛用于航空、航天領域。目前，二次硬化超高強度鋼主要通過嚴格控制熔煉過程及優(yōu)化固溶時效處理來提高材料的強韌性能。國內外學者對AerMetl00鋼的冶煉技術、回火時效工藝及強韌化機理都進行了大量研究，但對Aer-Metl00鋼在熱變形方面的研究還不夠深入，尤其描述其動態(tài)再結晶演變規(guī)律的研究還較少。因此，本課題研究了AerMetl00鋼在不同變形溫度及應變速率下壓縮后的顯微組織演變規(guī)律及動態(tài)再結晶行為，建立了AerMetl00鋼的Arrhenius型本構關系及動態(tài)再結晶相關模型，為AerMetl00鋼的生產(chǎn)應用提供參考。
1  試驗材料及方法
     試驗材料為AerMetl00鋼，其成分見表1，其初始晶粒形貌見圖1。利用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行等溫壓縮試驗。其熱壓縮變形工藝流程見圖2，首先，將試樣以20 ℃／s的速率加熱至1 200℃并進行300 s均勻化處理，然后以同樣的速率降至變形溫度并保溫30 s使試樣各區(qū)域溫度一致，在變形溫度為850～1 150℃和應變速率為0. 01～10  s-i的條件下進行60%的壓縮變形，試樣變形結束后迅速油淬以保留高溫組織。將熱變形后的試樣沿軸向切開，打磨拋光后采用飽和苦味酸溶液清洗，并于60℃水浴5～6 min，得到初始奧氏體組織。在XJP-6A型金相顯微鏡上觀察顯微組織并測定奧氏體晶粒的平均尺寸。

2  試驗結果與分析
2.1應力一應變曲線特征描述
     AerMetl00鋼在不同溫度及應變速率下的應力一應變曲線見圖3�？梢钥闯�，在變形溫度一定時，流變應力隨應變速率的增大而升高，在應變速率一定時，流變應力隨變形溫度的升高而降低。不同變形條件下的應力一應變曲線呈現(xiàn)出3種截然不同的特征：在變形溫度為850 ℃下應變速率為0.1、1.0S-l和900℃下應變速率為0.1、1.0、10 s-1及1000 0C下應變速率1、10 s-1的條件下，隨應變的增加應力持續(xù)增大，曲線呈現(xiàn)明顯的加工硬化特征；在變形溫度為850、1 100、1 150。C應變速率為10 S-l的條件下，出現(xiàn)應力不隨應變而增高的穩(wěn)定狀態(tài)，即加工硬化與動態(tài)軟化作用接近平衡，曲線呈現(xiàn)動態(tài)回復特征；在變形溫度為850、900℃下應變速率為0. 01 S-l和溫度為1 000℃應變速率為0. 01 S-I及溫度為1 100、1 150℃應變速率為0.01、0.1、1 S-l的條件下，隨變形程度的增加應力先達到峰值后由于動態(tài)再結晶軟化作用逐步降至某一穩(wěn)定值，曲線呈現(xiàn)出典型的動態(tài)再結晶特征。

2.2  顯微組織變化規(guī)律
     當應變速率為0.1 S-l時，AerMetl00鋼在各變形溫度下壓縮60%后的晶粒組織見圖4�？梢钥闯�，850 ℃時晶粒沿垂直壓縮方向被拉長，呈現(xiàn)加工硬化特征，見圖4a。在900、1 000℃時晶粒呈等軸且大小不一，呈現(xiàn)動態(tài)回復，見圖4b。1 000、1 100和1 150℃時晶粒均呈現(xiàn)動態(tài)再結晶特征，隨變形溫度的升高，晶粒趨于等軸狀，其平均晶粒尺寸分別為53. 57、53. 78 μm。說明在同一應變速率下壓縮相同變形量，隨變形溫度的升高，發(fā)生動態(tài)再結晶，晶粒尺寸不斷增大。
     當變形溫度為1 000 ℃時，AerMetl00鋼在各應變速率下壓縮60%后的晶粒組織見圖5。應變速率為0. 01 S-1時的變形組織由未充分長大的動態(tài)再結晶晶粒組成，晶界呈不規(guī)則鋸齒狀，見圖5a。這是由于應變速率較小，首先在動態(tài)回復階段通過位錯胞的胞壁平直化形成了大量亞晶，亞晶有充分時間通過合并機制形成再結晶核心。但由于變形溫度較低，晶界遷移緩慢，相鄰的再結晶晶粒僅相互合并未充分長大。應變速率為0.1、1.0和10 s-1時晶粒呈現(xiàn)動態(tài)回復特征，其平均晶粒尺寸分別為53. 57、30. 87、20. 55 μm。說明在同一溫度下壓縮相同變形量，隨著應變速率的增大，晶粒尺寸不斷減小。

3  模型建立與分析
3.1  高溫變形本構關系
     金屬材料熱變形是一個受熱激活能控制的過程，其熱變形過程中的流動應力 σ與變形溫度T、應變速率ε之間的關系可用Arrhenius雙曲余弦方程來表示：

式中，Q為變形激活能，kJ．mol-l；R為氣體常數(shù)。在低應力水平下(aσ<0.8)，可采用式(1)；在高應力水平下(aσ>l.2)，可采用式(2)；在整個應力水平下，可采用式(3)。分別對式(1)、式(2)和式(3)兩邊取對數(shù)后，并進行線性擬合可得n1=ainε／alnσ。=9.225 78，β一ainε／aσp=0.047 85；其中應力水平常數(shù)a=β/n1一0. 005 186。在整個應力水平下，當應變速率e-定時，Insinh（aσp）與1/T成線性關系(見圖6a)，可求得變形激活能Q= 402. 508 kj/mol;當溫度T-定時，Ine與Insinh（aσp）的線性關系見圖6b，可得n=6.809 1。
     材料在熱變形過程中應變速率及變形溫度對流動應力及動態(tài)再結晶的影響可由Zener等提出的Z參數(shù)表示：

將式(3)代入式(4)后兩邊取對數(shù)并進行線性擬合，可得n=6.703 4,A=4. 0285×1015。
     將所求得的Q、n、A和a的值帶入式(3)，可以得到AreMetl00鋼熱變形過程中的Arrhenius型本構關系：

     為驗證該本構方程的精度，將本構方程采用包含Arrhenius項的Z參數(shù)描述：

將式(6)與式(3)擬合出n值相比較，誤差為1.5%，表明AerMetl00鋼的高溫變形時的流動應力變化規(guī)律符合Z參數(shù)描述。
     將不同變形條件代人式(6)得到相應峰值應力，與修正后的試驗值相比較，結果見圖7。根據(jù)此本構模型算出的峰值應力與實測值的平均相對誤差為3. 82%，說明該模型具有較高的精度。

3.2動態(tài)再結晶動力學模型
3. 2.1  動態(tài)再結晶臨界應變模型
     確定動態(tài)再結晶開始發(fā)生的臨界應變 εc是討論動態(tài)再結晶行為的前提。利用加工硬化率θ-σ曲線上的拐點來識別動態(tài)再結晶的臨界值εc。并代入動態(tài)再結晶的臨界應變Sellars模型,即：

式中，A1、n均為與材料特性相關系數(shù)。對式(8)兩邊取對數(shù)，再經(jīng)線性回歸，得出相關系數(shù)Ai=0.043 2，n=0. 054 9。取εc／εp的平均值得p=0. 461。
3.2.2動態(tài)再結晶體積分數(shù)模型
     變形組織在一定變形量下所發(fā)生動態(tài)再結晶的程度可由動態(tài)再結晶體積分數(shù)模型來描述，此模型通常可表示為：

式中，pd與kd均為與材料有關的系數(shù)。
     由于動態(tài)再結晶會大幅降低位錯密度，進而影響材料熱變形過程中的流變應力，因此可通過應力一應變曲線的特征應力值來確定動態(tài)再結晶的體積分數(shù)。

式中，σsat和盯σss是動態(tài)回復及動態(tài)再結晶過程中的穩(wěn)態(tài)應力；σrec是動態(tài)回復時的流變應力，見圖8。其中動態(tài)回復曲線可由e≤e。階段的應力一應變曲線進行非線性擬合并外插值得到。

     對式(9)兩邊取對數(shù)并進行線性回歸，得到不同變形條件下In[ -ln（1-Xd）]與In[( ε-εc)／εp]的線性關系。計算得到各系數(shù)值并代人式(9)可得AerMetl00鋼的動態(tài)再結晶體積分數(shù)模型為：

     對動態(tài)再結晶體積分數(shù)模型的準確性進行驗證，將試驗測得不同變形條件下的動態(tài)再結晶體積分數(shù)實測值與模型計算值進行比較，結果見圖9�？傻糜嬎阒蹬c實測值的相對誤差為7. 84%，說明此模型對Aer-Metl00鋼的動態(tài)再結晶過程的描述較為精確。

3.3  變形條件對動態(tài)再結晶的影響
     根據(jù)AerMetl00鋼的動態(tài)再結晶動力學模型，得到不同變形溫度、應變速率下動態(tài)再結晶的體積分數(shù)與應變量的關系見圖10。通過比較可知，隨變形溫度的下降及應變速率的增加，得到相同體積分數(shù)所對應的應變均逐漸增大，說明動態(tài)再結晶行為被推遲了。同時在變形溫度低于1 000 ℃及應變速率高于1 S-1的條件下，動態(tài)再結晶體積分數(shù)均小于1，說明此條件下將不發(fā)生或只發(fā)生部分的動態(tài)再結晶，與試驗所得結果一致。這是由于，動態(tài)再結晶是一個熱激活過程，變形過程中位錯大量增殖。隨著溫度降低，位錯移動減緩，位錯胞難以在短時間內通過胞壁平直化形成亞晶，從而抑制動態(tài)再結晶的形核；另外，隨著應變速率提高，達到相同變形量所需的時間縮短，雖然位錯在短時間內大量增殖能夠提高動態(tài)再結晶驅動力，但是，應變能的釋放與位錯的回復需要一定時間，降低亞晶形核速率。因此，通過改變熱變形條件可以精確控制動態(tài)再結晶過程，從而達到細化晶粒組織，改善材料性能的目的。

4結  論
     (1) AerMetl00鋼在不同變形條件下的應力一應變曲線呈現(xiàn)出加工硬化、動態(tài)回復、動態(tài)再結晶3種不同的特征。通過比較發(fā)現(xiàn)在高溫低應變速率下動態(tài)再結晶更易發(fā)生。
     (2)熱變形過程中，不同變形條件下的晶粒形貌有顯著差異，動態(tài)再結晶的發(fā)生可使奧氏體晶粒明顯細化。晶粒尺寸隨著變形溫度的降低，應變速率的增大而逐漸減小。
     (3)對熱模擬試驗數(shù)據(jù)進行分析計算，得出了Aer-Metl00鋼在850～1  150 ℃的變形激活能為402. 508kj/mol;建立了AerMetl00鋼的高溫變形本構關系，動態(tài)再結晶臨界應變模型及動態(tài)再結晶體積分數(shù)模型。
     (4)通過對動態(tài)再結晶動力學模型進行分析，驗證并解釋了變形溫度的下降及應變速率的增加會阻礙動態(tài)再結晶的形成。