30Cr2Ni4MoV鋼的動態軟化機制分析

曹志遠 季 雪 程幸葉 牛廣斌

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

30Cr2Ni4MoV材料一般應用于火力發電、燃氣發電、核電機組的低壓和發電機轉子鍛件。研究其動態軟化機制包括動態回復和動態再結晶機理對制訂大型自由鍛件的制造工藝和提高產品質量有著重要的指導意義。

1 實驗內容及結果

動態軟化機制分為動態回復和動態再結晶兩種機制。為了更好的了解這兩種動態軟化機制在30Cr2Ni4MoV材料中高溫塑性變形中的表現形式我們設計了如下實驗方案：

1.1 30Cr2Ni4MoV材料的高溫塑性實驗及結果

采用?10 mm×15 mm試樣，應變速率分別為1 s-1、0.1 s-1、0.01 s-1，溫度范圍為850～1 200℃，真實應變為1.2，在Gleeble-3500熱模擬實驗機上每間隔50℃做高溫壓縮實驗。

獲得30Cr2Ni4MoV材料的真實應力應變曲線見圖1～圖3。

1.2 不同變形量下的30Cr2Ni4MoV材料的高溫壓縮實驗內容及結果

采用?10 mm×15 mm試樣，按接近水壓機實際的應變速率0.01 s-1、溫度1 200℃和不同的壓下量在Gleeble-3500熱模擬實驗機上做高溫壓縮實驗，每個試樣變形后立即水冷保留高溫形變下的原始晶粒。實驗參數詳見表1，實驗結果見圖4～圖11。

圖1 流變曲線(1 s-1)Figure 1 The stress-strain curve (1 s-1)

圖2 流變曲線(0.1 s-1)Figure 2 The stress-strain curve (0.1 s-1)

圖3 流變曲線(0.01 s-1)Figure 3 The stress-strain curve (0.01 s-1)

表1 不同變形量下高溫壓縮實驗參數Table 1 The experiment parameter of high temperature compression with different reduction

圖4 A1流變曲線Figure 4 The A1 stress-strain curve

圖5 A2流變曲線Figure 5 The A2 stress-strain curve

圖6 A3 流變曲線Figure 6 The A3 stress-strain curve

圖7 A4流變曲線Figure 7 The A4 stress-strain curve

圖8 A1晶粒照片Figure 8 The A1 metallograph

圖9 A2晶粒照片Figure 9 The A2 metallograph

圖10 A3晶粒照片Figure 10 The A3 metallograph

圖11 A4晶粒照片Figure 11 The A4 metallograph

1.3 模擬工程情況下的高溫壓縮實驗內容及結果

采用?10 mm×20 mm試樣，在Gleeble-3500熱模擬實驗機上做模擬工程情況下的高溫壓縮實驗，每個試樣變形后立即水冷保留高溫形變下的原始晶粒。實驗參數詳見表2，實驗結果見圖12～18。

表2 模擬工程情況下高溫壓縮實驗參數Table 2 The experiment parameter of high temperature compression under analog enginering condition

圖12 試樣M1的流變曲線Figure 12 The M1 stress-strain curve

圖13 試樣M2的流變曲線Figure 13 The M2 stress-strain curve

圖14 試樣M3的流變曲線Figure 14 The M1 stress-strain curve

圖15 試樣M1的晶粒照片Figure 15 The M1 metallograph

圖16 試樣M2的晶粒照片Figure 16 The M2 metallograph

圖17 試樣M3的晶粒照片Figure 17 The M3 metallograph

圖18 試樣M4的晶粒照片Figure 18 The M4 metallograph

2 動態軟化機制的分析

水壓機鍛造的大型鍛件的應變速率一般接近于0.01 s-1，鍛件心部高溫塑性變形溫度范圍為1 100～1 200℃，一般來說判斷動態再結晶開始的臨界應變εc和峰值應變εp之間的關系為：εc=0.8εp。從圖3所示的30Cr2Ni4MoV材料的應力-應變曲線可以得出不同溫度下的εc、εp，換算成的工程應變見表3。

表3 不同溫度下的臨界應變εc和峰值應變εpTable 3 The critical strain εc and peak strain εp under different temperature

從應力-應變曲線上來看，在30Cr2Ni4MoV材料進行高溫塑性變形過程中，從變形一開始就不斷進行動態回復，緩慢的動態回復在ε<εc前提供了一個額外的軟化過程。從應力遞增的趨勢我們可以得出此階段主要還是加工硬化占據主導地位，圖17的晶粒照片表明5%的變形條件下尚未發生動態再結晶；當εc<ε<εp時，由于緩慢的動態回復為變形中的動態再結晶提供了足夠的驅動力，在變形量達到臨界應變εc時動態再結晶開始成核。在達到流變曲線峰值應力之前會同時存在動態回復和動態再結晶兩種軟化機制，在硬化和軟化的平衡關系中仍以加工硬化為主，圖8的晶粒照片表明10%的變形條件下有局部晶粒發生動態再結晶；當εp<ε<εs(穩態應變)時會發生動態再結晶，此時軟化與硬化趨于平衡，從應力-應變曲線上解讀為震蕩的多峰曲線。圖18的晶粒照片表明在15%的變形量下動態再結晶晶粒和動態回復晶粒同時存在；當ε>εs時動態軟化為完全動態再結晶，當再結晶晶粒均勻化后與加工硬化趨于平衡表現出平滑直線。圖9、10、11的晶粒圖片顯示20%、30%、40%的變形下晶粒尺寸相當均勻細小，均以動態再結晶的形式存在，同時也說明了30Cr2Ni4MoV材料在20%的應變下可獲得完全的動態再結晶晶粒。

變形過程中對鋼的軟化起作用的是動態再結晶和動態回復。變形停頓期間對鋼起軟化作用的是亞動態再結晶、靜態再結晶和靜態回復，對鋼起硬化作用的是高溫下晶粒長大和溫度的下降。為了更好的研究水壓機自由鍛造過程中多道次變形過程中軟化機制的復雜規律，根據我們所獲得的Ni4材料的流變曲線我們制定了模擬方案3。M1中的ε工程應變=0.2>εp所得的流變曲線顯示每道次的變形均經歷了由動態回復→動態回復+動態再結晶→動態再結晶的過程，每道次發生動態再結晶的峰值應變εp相同而峰值應力隨道次變化明顯減小，這主要是因為大變形中奧氏體已經完全發生了動態再結晶，再次變形時軟化和硬化重新相互作用，峰值應力因前道次動態再結晶的發生而逐漸減小；M2和M3中的ε工程應變分別為10%和5%，每道次的變形只經歷了動態回復階段，再次變形時軟化和硬化重新相互作用，峰值應力因前道次動態回復作用隨壓下道次有逐漸減小的趨勢；從實驗所得的晶粒圖片上看圖18的照片晶粒尺寸差較大，晶粒尺寸最不均勻。

3 結論

通過對30Cr2Ni4MoV材料的動態軟化機制的試驗分析可以得出以下結論：

(1)30Cr2Ni4MoV材料在溫度區間為1 100～1 200℃，應變速率接近0.01 s-1的前提下要保證整個截面均勻的獲得動態再結晶晶粒，其等效應變ε應在0.2以上；

(2)30Cr2Ni4MoV材料在水壓機自由鍛造過程中ε<εc時所獲得的驅動力不足以令該材料發生動態再結晶。在應變速率、溫度不變的前提下，單道次變形量是其獲得動態再結晶的唯一參數，即便多道次、多工步累加的變形量ε累加>εc也不能獲得動態再結晶晶粒；

(3)30Cr2Ni4MoV材料在水壓機多道次的自由鍛造過程中ε>εc時，動態再結晶在Ni4材料中明顯的降低了流動應力，減小了材料抗力；

(4)實際生產過程中應盡力避免εp<ε<εs(穩態應變)的變形區間，此區間易造成30Cr2Ni4MoV材料的熱變形晶粒尺寸不均，造成混晶。

[1] 何宜柱，雷廷權.熱變形動態軟化本構模型. 鋼鐵.1999，34(9).

[2] 潘金生，健民仝，田民波.材料科學基礎.清華大學出版社.1998.