鑄態42CrMo鋼多道次熱壓縮的軟化規律

呂振華，宋建麗，齊會萍，鄭 毅

（1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學 金屬材料成型理論與技術山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

0 引言

42CrMo鋼是一種中碳合金鋼，其具有強度高、低溫韌性好等優點。常用在機車牽引用的大齒輪、后軸等。金屬材料在多道次熱壓縮變形過程中不同的變形工藝對內部的組織和性能影響不同。因此在多道次熱壓縮變形中會出現不同的熱力學行為。這種力學行為表現為材料多道次熱壓縮流變應力的變化，流變應力的變化是材料內部組織變化的宏觀表現。利用熱壓縮模擬實驗研究鑄態42CrMo鋼高溫流變特性，能較準確地描述在不同的變形溫度、變形程度以及道次間隔時間等參數對其流變應力變化規律，為合理制定工藝規程提供理論依據。目前對鑄態42CrMo鋼熱壓縮變形過程中材料的軟化規律研究較少。為此，本文通過高溫熱壓縮試驗，研究鑄態42CrMo鋼的多道次熱壓縮變形的工藝參數對流變行為及材料的軟化規律的影響，對鑄態42CrMo鋼的熱變形提供一些理論基礎和依據。

1 試驗條件和方法

試驗材料是離心鑄造42CrMo鋼，把鑄態42Cr－Mo鋼加工成直徑10mm、高度15mm標準圓柱試樣，在Gleeble-3500熱模擬試驗機上進行多道次熱壓縮試驗。在熱壓縮前將試樣兩端放上石墨片和坦片，減少熱壓縮過程中試樣斷面和壓頭之間的摩擦，保證試樣發生均勻的變形。利用計算機實時采集的各通道數據繪制真應力-真應變曲線。

1.1 變形溫度的影響

如圖1所示為鑄態42CrMo鋼不同變形溫度下的熱壓縮流變應力曲線圖，應變速率0.1s-1。壓下量：0-20%-30%-50%-水淬，道次間隔時間為30s，不同的變形溫度對的σ-ε曲線影響如圖1所示。

圖1 不同溫度的應力應變曲線

從圖1中可知，多道次熱壓縮變形溫度對鑄態42CrMo鋼熱壓縮流變應力有很大影響。隨著熱壓縮變形溫度的升高，材料的流變應力發生了明顯變化。溫度是950℃時，穩態流變應力值是111.20MPa；溫度升高到1050℃時穩態流變應力值降低到72.50MPa；當溫度繼續升高到1150℃時，穩態流變應力值是46.60MPa。隨著溫度的不斷升高，鑄態42CrMo鋼在熱壓縮變形過程中穩態流變應力值在不斷降低。多道次熱壓縮變形溫度越高材料的穩態流變應力越低。

1.2 道次間隔時間的影響

多道次熱壓縮變形溫度1 0 5 0℃，應變速率0.1 s-1，壓下量為0-20%-30%-50%。熱壓縮完成后立即水淬。圖2所示為不同道次間隔時間對鑄態42CrMo的σ-ε曲線的影響。

圖2 不同間隔時間對鑄態42CrMo應力-應變影響曲線

由圖2可知，多道次熱壓縮變形道次間隔時間長短，熱壓縮穩態流變應力變化并不明顯。道次間隔時間5s時穩態流變應力為70.00MPa，間隔時間30s時穩態流變應72.50MPa，當間隔時間增加到60s時穩態流變應力74.40MPa，道次間隔時間增加到120s時穩態流變應73.25MPa。

1.3 不同的變形量分配方式對應力-應變曲線的影響

變形溫度1050℃，應變速率0.1s-1，道次間隔時間30s時，總變形量1.272時，采用不同的變形量分配方式對鑄態42CrMo鋼材σ-ε曲線影響如圖3所示。

從圖3可以看出，在總變形量相同時，不同變形量的分配對各道次的穩態流變應力影響不大。在總變形量相同的情況下用單道次壓縮時穩態流變應力為74.10MPa（圖3a）；分二道次熱壓縮時穩態流變應力為75.20MPa（圖3b）；分三道次熱壓縮時穩態流變應力值是72.50MPa（圖3c）；分五道次壓縮時穩態流變應力值是79.60MPa（圖3d）。

2 鑄態42 CrMo鋼熱壓縮變形軟化過程的分析

多道次熱壓縮變形過程中，材料內部主要發生加工硬化和軟化兩種機制，在道次間隔時間內主要發生軟化現象。多道次熱壓縮對材料軟化程度的定量描述有很多方法，動態軟化和靜態軟化是材料在多道次熱壓縮變形發生軟化的主要機制。由于動態軟化材料的流變應力達到峰值后隨應變增加而下降。Verlinden和Wouters提出了定量計算材料的相對軟化率，該計算方法是用峰值軟化系數SPn來描述材料在多道次熱壓縮變形道次間的軟化程度,其數學表達式為

式中：σPn、σPn+1分別是多道次熱壓縮變形過程相鄰兩道次的峰值應力，σPn是、前一道次的峰值應力，σPn+1是對應的后一道次的峰值應力。

當計算結果SPn＞0時，表明多道次熱壓縮變形道次間發生了軟化，加工硬化得到部分抵消。當計算結果SPn=0時，表明多道次熱壓縮變形道次間沒有發生軟化。當計算結果SPn＜0時，表明多道次熱壓縮材料在道次間發生了加工硬化。計算結果如表1所示。

由表1可知，多道次熱壓縮變形不同的實驗方案材料的軟化程度不同。變形溫度1050℃時隨著道次間隔時間不斷變長，各道次的流變應力逐漸變小但變化趨勢不明顯。多道次熱壓縮變形溫度的變化對鑄態42CrMo鋼材料軟化程度有很大影響。多道次熱壓縮變形溫度是950℃時，道次間隔時間內軟化程度很低。熱壓縮變形溫度升高鑄態42CrMo鋼材料軟化程度逐漸升高。在總變形量相同時，道次壓縮次數越多各道次的變形量就越小，軟化程度降低并且出現加工硬化現象。

圖3 不同的變形次數對42crMo鋼應力-應變曲線的影響

表1 不同實驗方案軟化率的計算結果

3 分析討論

鑄態42CrMo鋼在多道次熱壓縮變形過程中，在多道次熱壓縮開始階段真應變曲線幾乎呈直線上升趨勢，流變應力的變化反映了金屬材料內部組織結構的變化，變形初始階段變形量的增加使鑄態2CrMo鋼內部發生加工硬化，加工硬化作用提高了位錯的密度，使鑄態42CrMo鋼內部組織處于不穩定狀態，因此在道次間隙時間內變形后的金屬出現了靜態回復和靜態再結晶現象，鑄態42CrMo鋼內部發生軟化現象。動態回復和動態再結晶發生的動態軟化是由位錯的攀移和交滑移引起。多道次熱壓縮變形過程中在道次間隔時間內發生的動態回復和動態再結晶不能完全消除變形過中的加工硬化，組織內部仍有晶格畸變能存在。這些殘余的能量能使多道次熱壓縮變形組織內部發生靜態回復和靜態再結晶，即材料在道次間隔時間內發生靜態軟化。

多道次熱壓縮變形過程中溫度較低時原子激活能就很低，組織內部能運動的滑移系很少，位錯能較低且位錯的攀移和交滑移難以進行。多道次熱壓縮變形量的增大，位錯密度不斷升高，此時多道次熱壓縮變形材料主要發生加工硬化現象。多道次熱壓縮變形溫度較時位錯運動比較困難，但隨著變形量的逐漸增加位錯密度的也得到提高，同時位錯能也相應增大。因此位錯的攀移與交滑移容易發生，位錯的運動消除了加工硬化產生的能量，所以最終導致流變應力曲線呈現出穩態流變特征。多道次熱壓縮的溫度是950℃時，溫度較低組織內部的位錯很難進行攀移和交滑移，因此發生靜態再結晶就比較困難，材料內部軟化程度就比較低。隨著溫度的不斷升高，位錯攀移和交滑移比較容易發生。多道次熱壓縮溫度在1050℃和1150℃時第一個道次間隔時間內材料發生軟化程度比較高，材料的流變應力降低。

多道次熱壓縮變形隨著道次間隔時間的延長對材料的穩態流變應力影響不大。道次間隔時間內組織主要發生靜態軟化，靜態軟化驅動力來自于熱壓縮變形過程加工硬化和動態軟化剩余的變形能。因此加工硬化和動態軟化在道次間隔時間內達到動態的平衡，多道次熱壓縮變形穩態流變應力與道次間隔時間的長短關系不大。

多道次熱壓縮變形總變形量相同熱壓縮次數越多每一道次的變形量就越小。加工硬化程度逐漸增加軟化程度相對減少，每一個熱壓縮道次中組織機體的畸變程度變小，道次間隔時間內驅動靜態再結晶就比較困難，各道次的軟化程度較低。所以在相同的變形量下，熱壓縮道次不適合過多，從圖3和表1可以看出適當的增加前面道次的壓縮變形量對后續的軟化過程比較有利。在理想的試驗條件熱壓縮道次為3次最佳。熱壓縮變形量的形式如圖3c。

4 結語

（1）多道次熱壓縮變形材料流變應力的變化和溫度變化有很大的關系。熱壓縮變形材料的流變應力隨溫度升高而降低。多道次熱壓縮變形材料的軟化程度隨溫度的升高而增大。

（2）多道次熱壓縮隨著道次間隔時間的不斷增加，在道次間隙時間內發生了靜態軟化，間隔時間對材料的軟化程度較為明顯，但是對鑄態42CrMo鋼的穩態流變應力的影響不明顯。

（3）總變形量相同時隨著道次壓縮次數的增加，穩態流變應力的變化不明顯，然而軟化程度則隨著道次的增加不斷降低。減小變形量、增加熱壓縮次數材料更容易發生加工硬化，相同的變形量熱壓縮次數不宜過多。

[1] 徐 光，趙嘉蓉，徐楚韶.超低碳IF鋼鐵素體熱變形道次間軟化規律研究[J].熱加工工藝，2005，（11）：57-58.

[2] 高維林，白光潤，周志敏，等.含鈮低碳鋼的熱變形行為和金屬塑性形變中的流變應力預測[J].金屬學報，1992，28（8）：351-357.

[3] 李 梁，蔣 鵬.道次間隔時間對Ti-1Al-1Fe合金熱壓縮變形組織性能的影響[J].熱加工工藝，2008，37（24）：49-50.

[4] 熊 毅，蔡大勇，趙勝利，等.低碳鋼的熱變形行為[J].材料熱處理技術，2008，37（18）：14-16.

[5] 閆明亮，沈 建，李園園，等.變形工藝對7055鋁合金多道次熱壓縮組織的影響[J].輕合金加工技術，2012，40（10）：40-43.

[6] 楊現亮,潘家冰.Q235鋼動態再結晶過程中的溫度變化和變形道次間的靜態軟化[J].機械工程材料，2011，35（1）：97-99.

[7] 藺永誠，陳明松，鐘 掘.42CrMo鋼的熱壓縮流變應力行為[J].中南大學學報，2008，39（3）：549-553.

[8] Shi H,Mclaren A J,Sellars C M,et al.Constitutive equations for high temperature flow stress of aluminum alloys[J].Mater Sci Technol,1997,13(3):210-216.

[9] Sellars CM,Tegart WJM.On the mechanism of hot deformation[J].Acta Metallurgica,1996,14(9):1136-1138.