超高強度23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形行為研究

王春旭， 劉憲民， 田志凌， 王 瑞， 李建新

(1.鋼鐵研究總院結構材料研究所，北京 100081;2.中國鋼研科技集團有限公司，北京 100081;3.撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113001）

超高強度23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形行為研究

王春旭1， 劉憲民1， 田志凌2， 王 瑞3， 李建新3

(1.鋼鐵研究總院結構材料研究所，北京 100081;2.中國鋼研科技集團有限公司，北京 100081;3.撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113001）

利用Gleeble-3800熱力模擬試驗機，在1123～1423K溫度范圍，應變速率0.5～10s－1條件下，對二次硬化超高強度23Co14Ni12Cr3MoE鋼進行了高溫軸向壓縮試驗，測得了鋼的高溫流變曲線，并觀察了變形后的顯微組織。實驗結果表明，該鋼流變應力和峰值應變隨著變形溫度的升高和應變速率的降低而減小;在真應變為0.8，應變速率為0.5～10s－1的條件下，隨著變形速率的提高，其發生完全動態再結晶的溫度也逐漸升高。當變形速率為10s－1時，其變形溫度高于1373K，才會發生完全動態再結晶。23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形激活能(Q）為421.6kJ/mol。本次研究還確立了鋼的熱變形方程。

23Co14Ni12Cr3MoE鋼;熱變形;流變應力;激活能

幾十年來，超高強度鋼經歷了低合金、中合金和高合金等幾個發展階段。而高合金系超高強度鋼，尤其二次硬化型高合金超高強度鋼以其極高的強度和良好的強韌性配合，以及良好的抗海水腐蝕性能和極好的焊接性能等特點在航空和航天領域得到廣泛的應用，成為國內外科研工作者研究的熱點［1～3］。這類超高強度鋼具有高的鈷、鎳合金含量，其強度來自高位錯密度的板條馬氏體，以及在回火過程中析出的細小彌散的共格M2C碳化物及 Fe2Mo 相 沉 淀 產 生 的 二 次 硬 化［4～10］。23Co14Ni12Cr3MoE鋼是目前該類鋼中具有最高的強韌性配合的典型代表。

金屬在熱變形過程中將發生動態回復或動態再結晶，這將對材料的最終性能產生很大影響，而這些動態過程與熱變形溫度、變形速率等參數有關，因此確定合理的熱變形工藝參數對于改善材料的組織，提高材料的性能有重大意義。熱變形受熱激活過程的控制，隨著變形量增加，加工硬化和軟化過程同時進行并決定此時材料的變形抗力。變形過程的軟化決定于鋼的回復和動態再結晶過程。本工作主要研究了23Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同工藝參數下的熱變形行為。

收稿日期:2011-05-03;修訂日期:2011-09-13作者簡介:王春旭(1971—），男，博士研究生，高級工程師，主要從事超高強度鋼研究，(E-mail）wcxul@163.com

1 實驗材料及方法

實驗用23Co14Ni12Cr3MoE鋼的化學成分為(質量分數/%）:C 0.24，Cr 2.94，Ni 11.44，Mo 1.22，Co 13.61，Si 0.01，Mn 0.005，S 0.001，P 0.003，Fe余量。加工成尺寸為φ8mm×15mm的圓柱形壓縮試樣。在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行軸向壓縮試驗。試樣以10℃/s的加熱速率加熱到1423K，保溫5min，然后以10℃/s的冷卻速率冷卻到不同溫度后進行變形。變形溫度分別為:1123K，1173K，1223K，1273K，1323K，1373K，1423K，變形速率分別為 0.5s－1，1s－1，5s－1，10s－1，真應變為0.8。變形后立刻噴水淬火。用線切割把壓縮后的試樣沿軸線從中間剖開，磨平、拋光后，采用飽和苦味酸水溶液+十二烷基苯磺酸鈉+雕牌洗潔精，60℃水浴對試樣進行浸蝕來顯示奧氏體晶界。用光學顯微鏡進行顯微組織觀察。

2 實驗結果及分析

2.1 23Co14Ni12Cr3MoE鋼真應力-真應變曲線及變形組織

23 Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同應變速率和變形溫度下的真應力-真應變曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，23Co14Ni12Cr3MoE鋼的真應力-真應變曲線從其類型上可以分為兩種:即在較低的變形溫度和高的應變速率條件下，其流變曲線類型上主要以動態回復型流變曲線為主;而在高的變形溫度和較低的應變速率條件下，其流變曲線表現為動態再結晶型。23Co14Ni12Cr3MoE鋼的高溫流變曲線主要以動態回復型為主。只有在應變速率低于1s－1，變 形 溫 度 高 于 1373K 變 形 時，23Co14Ni12Cr3MoE鋼的流變曲線才表現為動態再結晶型(見圖1a，1b）。23Co14Ni12Cr3MoE鋼的峰值應力和穩態流變應力隨著變形溫度的降低和應變速率的升高而提高。當應變速率相同時，變形溫度升高，動態軟化程度增大，動態軟化速率加快，峰值應力和穩態應力逐漸降低，峰值應變也隨著變形溫度的升高而減小;當變形溫度相同時，應變速率升高，加工硬化率增大，峰值應力和穩態應力也隨之提高。

金屬高溫流變曲線上的變化，可以反映出材料在變形過程中的組織變化。但對于具有較高的加工硬化率的金屬，在高溫變形過程中，發生部分動態再結晶所產生的軟化不足以抵消加工硬化，此時即使發生動態再結晶，在高溫流變曲線上也不會表現出動態再結晶的明顯標志——曲線上出現峰值。因此，僅從23Co14Ni12Cr3MoE鋼的高溫流變曲線不能完全斷定其是否發生了動態再結晶，還必須配合借助相應的金相顯微組織觀察分析。

23 Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同應變速率、變形溫度下的典型金相組織如圖2所示。以0.5s－1的應變速率，變形溫度1123K，發生0.8的真應變后，其組織呈現條狀的變形組織(圖2a），此時23Co14Ni12Cr3MoE鋼在變形過程中只發生動態回復，未發生動態再結晶;當變形溫度提高到1273K，變形后，其晶粒基本是等軸狀的再結晶晶粒，此時鋼發生了完全動態再結晶。當應變速率提高到1s－1，其發生完全動態再結晶的溫度也升高到1323K，當變形溫度稍低于1323K時，鋼發生部分動態再結晶，其組織為條帶狀的變形晶粒和等軸晶粒的混合組織(圖2b）。同時在相同的應變速率條件下，鋼在高于完全動態再結晶溫度變形后，隨著變形溫度的提高，完全動態再結晶晶粒尺寸也逐漸變大;而在相同的變形溫度條件下，隨著應變速率的增加，完全動態再結晶晶粒尺寸逐漸變小(圖2c，2d）。當應變速率提高到10s－1時，發生完全動態再結晶的溫度升高到1373K，比應變速率為0.5s－1變形發生完全動態再結晶的溫度提高了大約100K。

圖1 23Co14Ni12Cr3MoE鋼在不同變形條件下的高溫流變曲線Fig.1 Elevated temperature flow stress curves of 23Co14Ni12Cr3MoE steel under different deformation conditions(a）0.5s－1;(b）1s－1;(c）5s－1;(d）10s－1

2.2 23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形方程

金屬材料的高溫流變應力既與材料化學組成有關，又與變形溫度T、應變速率˙ε以及變形量ε有關，在材料組成不變時，流變應力σ與變形條件之間具有如下的雙曲正弦關系［11～13］:

這里σ可為峰值應力σp，或穩定狀態流變應力σs，或相應于某指定應變量之流變應力，在本工作中σ使用峰值應力;R為氣體常數;Q為控制軟化過程的激活能;A，n，α為實驗常數。

在低應力水平時，式(1）簡化為:

在高應力水平時，式(1）簡化為:

其中，常數α，β及n之間滿足α=β/n'。對式(2）和式(3）兩邊分別取對數并求偏導，可得:

將圖1的真應力-應變曲線數據按式(4）和式(5）處理得到圖3。從圖3中可以看出，σp－ln˙ε和lnσp－ln˙ε都近似呈線性關系，通過線性回歸分析可得，β =0.05745MPa－1和 n=10.0553，進而計算得α = β/n≈0.006MPa－1。

圖2 23Co14Ni12Cr3MoE鋼不同變形條件下的金相組織Fig.2 Metallography of 23Co14Ni12Cr3MoE steel under different deformation conditions(a）0.5s－1，1123K;(b）1s－1，1273K;(c）1s－1，1323K;(d）5s－1，1323K

對式(1）兩邊取自然對數得:

當變形溫度恒定時，式(6）兩邊對應變速率求偏導，得:

當變形速率恒定時，式(2）兩邊對1/T求偏導，得:

根據圖1中的高溫流變曲線數據，得到峰值應力與應變速率和溫度之間的關系曲線如圖4所示。

對圖4進行線性回歸，得出:A=7.7292×1016;n=7.3541;Q=421.6kJ/mol。將上述結果代入式(1）中，可以確立23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形方程為:

3 結論

(1）二次硬化超高強度23Co14Ni12Cr3MoE鋼的熱變形激活能Q值為421.6kJ/mol，其熱變形方程為=7.7292×1016［sinh(0.006σ）］7.3541exp(－

(2）在真應變為 0.8，溫度為 1123～1423K，應變速率為 0.5～10s－1的條件下，23Co14Ni12Cr3MoE鋼的高溫流變應力隨變形溫度的降低和應變速率的提高而增大;同時隨著變形速率的提高，其發生完全動態再結晶的溫度也逐漸升高，當變形速率為10s－1時，其變形溫度高于1373K，才會發生完全動態再結晶。

［1］胡正飛，吳杏芳，王春旭.二次強化高CoNi超高強度合金鋼的研究近況［J］.鋼鐵研究學報，2001，13(4）:62－68.

［2］HANDERHAN K J，GARRISON Jr W M，MOODY N R.A comparison of the fracture behavior of two heats of the secondary hardening steel AF1410［J］.Metallurgical Transactions(A），1989，20(1）:105－123.

［3］ AYER R，MACHMEIER P.Microstructure basis for the effect of chromium on the strength and toughness of AF1410-based high performance steels［J］.Metallurgical and Materials Transactions(A），1996，27(9）:2510－2517.

［4］IORIO L E，MALONEY J L，GARRISON Jr W M.The influence of carbon，chromium and molybdenum contents on the tempering behavior of high strength 14cobalt/10nickel secondary hardening steel［C］//40th MWSP Conf Proc，ISS，1998:901－919.

［5］IORIO L E，GARRISON Jr W M.The effects of titanium additions on AF1410 ultra-high-strength steel［J］.Metallurgical and Materials Transactions(A），2006，37(4）:1165－1173.

［6］AYER R，MACHMEIER P.On the characteristics of M2C carbides in the peak hardening regime of AerMet100 steel［J］.Metallurgical and Materials Transactions(A），1998，28(3）:903－905.

［7］IORIO L E，GARRISON Jr W M.Effects of gettering sulfur as CrS or MnS on void generation behavior in ultra-high strength steel［J］.Scripta Materialia，2002，46(12）:863－868.

［8］趙振業.超高強度鋼中二次硬化現象研究［J］.航空材料學報，2002，22(4）:46 －55.

［9］李杰，李春志，郭峰，等.二次硬化高強度鋼中析出強化相 HRTEM 研究［J］.航空材料學報，2008，28(4）:1－5.

［10］李杰，孫楓，李春志，等.高Co-Ni超高強度鋼強化析出相的微觀分析［J］.材料工程，2009(7）:1 －4.

［11］FARAG M M，SELLARS C M.Flow stress in hot extrusion of commercial-purity aluminum［J］.Journal of the Institute of Metals，1973，101(5）:137 －145.

［12］JONAS J J，SELLARS C M，TEGART W J.Strength and structure under hot working conditions［J］.Int Met Rev，1969，130(14）:1 －24.

［13］ZENER C，HOLLOMOM J H.Effect of strain rate upon the plastic flow of steel［J］.Appl Phys，1944，15(1）:22－32.

Hot Deformation Behavior of 23Co14Ni12Cr3MoE Ultra-High Strength Steel

WANG Chun-xu1， LIU Xian-min1， TIAN Zhi-ling2， WANG Rui3， LI Jian-xin3
(1.Institute for Structural Materials，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China;2.China Iron ＆ Steel Research Institute Group，Beijing 100081，China;3.FuShun Special Steel Co.，Ltd，Fushun 113001，Liaoning China）

The hot compression deformation behaviors of secondary hardening ultra-high strength 23Co14Ni12Cr3MoE steel with high strength and toughness were investigated by use of Gleeble-3800 simulator at the temperature range of 1123K to 1423K and at the strain rate of 0.5～10s－1.The corresponding flow curves were determined and hot deformed microstructures were observed.The results show that the flow stress and peak strain increase with increasing strain rate or decreasing deformation temperature.At true strain 0.8 and the strain rate of 0.5～10s－1，the temperature of full dynamic recrystallization increase with the strain rate rising.When the strain rate is 10s－1，the deformation temperature is beyond 1373K，the full dynamic recrystallization is occurred.The hot deformation activation energy Q of steel is 421.6kJ/mol，and the hot deformation equation is derived based on the experiments.

23Co14Ni12Cr3MoE steel;hot deformation;flow stress;activation energy

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.6.004

TG142.1

A

1005-5053(2011）06-0019-05