低壓轉子鋼30Cr2Ni4MoV動態再結晶行為研究

劉 鑫 鐘約先 馬慶賢 袁朝龍

清華大學先進成形制造教育部重點實驗室,北京,100084

0 引言

有效利用鋼的再結晶機制,可以消除鑄態粗大枝晶組織,獲得細小均勻的組織,從而提高熱加工產品的性能。研究表明,金屬發生動態再結晶后的晶粒結構比靜態再結晶和亞動態再結晶的晶粒結構具有更好的綜合性能[1]。因此,控制鍛造溫度、變形量等參數,利用水壓機較小的應變速率對鍛件進行控制鍛造,誘發金屬在高溫下的動態再結晶,成為大型鍛造件生產過程中提高產品性能的最主要途徑。

目前,我國的大型低壓轉子用鋼為30Cr2Ni4MoV鋼,相當于國外的3.5%NiCrMoV鋼,我國機械行業標準對30Cr2Ni4MoV鋼化學成分的質量分數及力學性能的做出了規定[2]。如何通過細化和均勻內部晶粒來提高產品機械性能,并最終具備百萬千瓦級核電低壓轉子的設計和制造能力,是我國目前急需突破的重點方向。研究并建立30Cr2Ni4MoV鋼的動態再結晶模型,可以為建立30Cr2Ni4MoV鋼鍛造生產過程的數值模擬模型提供重要基礎。

1 熱模擬實驗方案

為研究30Cr2Ni4MoV鋼的流變力學行為和動態再結晶行為,本實驗設備為Gleeble1500熱模擬實驗機,模擬參數為轉子鍛件在生產過程中的鍛造溫度和水壓機應變速率。實驗采用平面壓縮法,試樣為φ 8mm×12mm的圓柱,圓柱兩端開凹槽并填充潤滑劑以減小試樣在加載過程中出現的鼓肚等變形不均勻,圓柱周圍涂抹抗氧化劑防止表面氧化和熱電偶脫落。實驗工藝流程如下:先將試樣加熱至1200℃并保溫5min,再將溫度調整至變形溫度T,然后壓縮試樣變形至應變ε=0.7,接著水冷。工藝參數如表1所示。

表1 實驗工藝參數設計

2 流變力學行為

2.1 高溫流動應力曲線

實驗得到的30Cr2Ni4MoV鋼在各應變速率和溫度條件下的流動應力曲線如圖1～圖3所示。流動應力曲線上應變增大而應力基本恒定時,試樣處于動態再結晶穩態。由此可見,在應變速率為1s—1時,溫度達到1200℃才能發生動態再結晶并呈現穩態;應變速率為 0.1s—1時,溫度高于1000℃可發生動態再結晶,1150℃以上可以呈現穩態;應變速率為0.01s—1時,溫度只需高于900℃就可發生動態再結晶,高于1000℃呈現穩態。即在應變速率較大時,30Cr2Ni4MoV鋼只有在較高溫度下變形才能發生動態再結晶,在較高溫度下,各種應變速率條件變形都容易發生動態再結晶。由此可見,在大型軸類鍛件的生產條件下,提高變形溫度和減小應變速率都有利于減小30Cr2Ni4MoV鋼的峰值應力,使之發生動態再結晶。大型核電低壓轉子鋼生產中應變速率可達0.01s—1,甚至更小,本文實驗得到的數據在實際生產中利用是安全的。

2.2 動態再結晶熱激活過程模型

變形過程中,變形溫度和應變速率對鋼的軟化都起作用,動態再結晶的數學模型[3-4]通常用溫度補償應變速率因子Zener—Hollomon參數Z來描述動態再結晶行為,即

式中,QDRX為變形激活能;R為氣體常數;T為熱力學溫度。

金屬材料發生動態再結晶時,其流動應力曲線的第一個峰值應力σp和參數Z滿足如下關系:

式中,A和n為只與材料自身相關的常系數。

lnσp與lnZ之間的關系如圖4所示。

2.3 動態再結晶動力學模型

在一定的溫度和一定應變速率的條件下,高溫流動應力曲線中的峰值應變εp、穩態應變εs、動態再結晶發生的初始臨界應變εc和參數Z滿足如下關系:

式中,Bi、mi為只與金屬材料自身相關的常系數。

并且有[5]

將實驗取得的高溫流動應力特征數據代入式(5)進行多元回歸可以得到30Cr2Ni4MoV鋼的動態再結晶動力學模型:εp=1.48 ×10—3Z0.179,相關系數為0.978 97,εc=0.8εp;εs=3.27×10—3Z0.175,相關系數為0.930 95。lnεp 、lnεs、lnεc 與 ln Z 之間的關系如圖5所示。

2.4 動態再結晶比例

采用Avrami型表達式描述金屬材料的動態再結晶運動學過程,動態再結晶發生后,其動態再結晶比例為

為避免金相腐蝕和視場選擇等人為因素對動態再結晶體積比例確定造成的影響,選用Beynon等[6]提出的基于高溫流動應力曲線的金屬材料動態再結晶體積比例測量方法計算:

式中,σ為金屬高溫流動應力曲線上的應力值;σs為動態再結晶穩態應力值;σREC為假想金屬未發生動態軟化時流動應力曲線上的應力值;σ′s為該流動應力曲線的穩態應力值。

上述各參數的關系如圖6所示。

將實驗取得的高溫流動應力特征數據代入式(6)進行多元回歸可以得到30Cr2Ni4MoV鋼的動態再結晶比例:

相關系數為0.9057。

2.5 動態再結晶晶粒尺寸模型

研究認為,動態再結晶晶粒尺寸為正比于參數Z的指數函數:

式中,dDXR為動態再結晶晶粒尺寸;C和N為只與金屬材料自身相關的常系數。

將實驗取得的結果試樣進行腐蝕得到原奧氏體晶界,測量發生動態再結晶試樣的動態再結晶晶粒的平均尺寸,將所得尺寸和實驗條件代入式(9)進行多元回歸可以得到30Cr2Ni4MoV鋼的動態再結晶晶粒尺寸模型:

相關系數為0.97679。

3 高溫變形淬火后的顯微組織

為保證熱模擬試樣的溫度均勻分布和初始晶粒度相同,試樣在變形實驗前加熱至1200℃并保溫。此時,試樣中奧氏體晶粒尺寸約為190μ m。

對于一定變形溫度和應變速率條件,當變形達到初始臨界應變εc時,動態再結晶發生;達到穩態應變εs時,發生完全動態再結晶;介于兩者之間時,發生部分動態再結晶。如圖7所示,變形溫度t=1000℃、應變速率為 0.1s—1條件下的試樣顯微組織在較大的原奧氏體晶界處形成再結晶核心,核心長大成為細小等軸晶粒并逐步向內擴展。用截線法對其動態再結晶體積比例XDXR進行測量,得到的測量值為68.95%,這比根據式(8)獲得的計算值69.61%小0.96%,從而驗證了式(8)的準確性。

根據30Cr2Ni4MoV鋼的動態再結晶動力學模型可知,提高溫度和減小應變速率都有利于動態再結晶的發生。當溫度較低、應變速率較大時,較小的變形不足以積累足夠的位錯密度,不能達到動態再結晶所需的驅動力,變形后試樣的顯微組織為垂直壓縮方向拉長的晶粒,即晶粒呈扁平狀,如圖8a所示,此時隨著應變量的增大,位錯密度不斷提高,宏觀體現為材料的加工硬化過程;當溫度較高、應變速率較小時,較小的應變就可以積累到足夠的位錯密度,達到動態再結晶所需要的驅動力,動態再結晶晶粒于原奧氏體晶界形成并逐步向內擴展,最終吞噬掉整個晶粒,形成細小等軸晶,如圖8b所示,此時,動態再結晶引起的軟化和加工硬化形成了動態平衡,在應力—應變曲線上反映為屈服應力保持恒定值。

當動態再結晶完成后,該部分的位錯畸變能隨之得以釋放,但隨著變形的繼續,動態再結晶持續進行。同時,動態再結晶形成的晶粒又承受新的變形,產生新的加工硬化,從而積累應變開始新的軟化過程。因此,就整個奧氏體來說,動態再結晶的發生不能完全消除奧氏體的加工硬化,上述原因使得奧氏體動態再結晶中的晶粒尺寸不是完全均勻的,如圖9、圖10所示。對于大型鍛件,由于尺寸和噸位的巨大,其加工過程往往比較費時,并且在鍛造變形后都要停留一定的時間,使新晶粒可以通過逐步相互合并長大而達到一個穩定的尺寸。

在溫度一定的條件下,應變速率越大,發生完全動態再結晶后,晶粒越細小,如圖9所示。這主要是由于減小應變速率可使變形過程中產生的位錯有充足的時間以交滑移與攀移的方式運動,使部分位錯消失,部分重新排列,位錯以動態回復等其他軟化方式消耗,從而由高能態的混亂排列向低能態的規則排列變化。

在應變速率一定的條件下,溫度越低,發生完全動態再結晶后,晶粒越細小,如圖10所示。這主要由于變形溫度越高,原子活動能力增大,位錯的運動變得劇烈,雜亂分布的位錯逐漸集中或按規律排列,使得動態回復的程度增大,從而減小了變形后的畸變能,使晶粒粗化;同時,動態再結晶完成后,晶粒會以大角晶界的移動和相互合并的方式長大,溫度越高,晶粒長大的速度也越快。

4 結論

(1)30Cr2Ni4MoV鋼為典型低層錯能鋼,再結晶溫度以上時,在較小應變速率下可以發生連續動態再結晶,流動應力在變形抗力出現應力峰值后進入穩態,變形后試樣的顯微組織表明其內部產生了動態再結晶等軸細晶。

(2)提高溫度和減小應變速率有利于動態再結晶的發生;發生動態再結晶的參數范圍內,降低溫度和增大應變速率有利于細化動態再結晶晶粒。

(3)為了充分利用動態再結晶機制,使鍛件獲得良好的晶粒度,30Cr2Ni4MoV鋼建議鍛造應變速率在0.1s—1以下、變形溫度在1050℃以上;最后一次的鍛造在保證充分動態再結晶的條件下,采用盡量大的應變速率和盡量低的溫度。

(4)得到了30Cr2Ni4MoV鋼的動態再結晶數學模型。

[1]毛衛民,趙新兵.金屬的再結晶與晶粒長大[M].北京:冶金工業出版社,1994.

[2]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.JB/T7022—2002.中華人民共和國機械行業標準—工業汽輪機轉子體鍛件技術條件[S].北京:機械工業出版社,2003.

[3]McQueen H J.Development of Dynamic Recrystallization Theory[J].Materials Science and Engineering A,2004,387/398:203-208.

[4]McQueen H J,Imbert C A C.Dynamic Recrystallization:Plasticity Enhancing Structural Development[J].Journal of Alloys and Compounds,2004,378(1/2):35-43.

[5]Sellars C M.Modeling of Structure Development during Hot Rolling[J].Materials Science and Technology,1990,6:1072-1081.

[6]Beynon J H,Sellars C M.Modeling Microstructure and Its Effects during Multi—pass Hot Rolling[J].ISIJ International,1992,32(3):359-367.