一種高錳無磁鋼高溫變形行為及熱加工圖

趙 峻, 周 玉, 隋鳳利, 李長生, 宗勝杰

(1. 巢湖學院 機械工程學院, 安徽 合肥 230000;2. 安徽工業大學 冶金工程學院, 安徽 馬鞍山 243002;3. 東北大學 軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室, 遼寧 沈陽 110819)

無磁鋼的組織在室溫下為穩定的奧氏體態,所以在磁場的作用下基本不發生磁感應現象,磁導率小于1.5[1].無磁鋼由于具有“無磁”的特性,廣泛應用于航空航天、特種設備及國防軍事等領域[2].近年來,對于無磁鋼的研究重點領域主要集中在其組織與力學性能、塑性變形過程等方面[3-5],但系統研究其熱變形行為卻少見報道.材料在熱加工過程中的熱變形行為是制定其軋制、鑄造等生產工藝的科學理論依據.材料的熱變形主要包含本構方程和熱加工圖兩方面的內容.熱變形過程的參數對流變應力的影響可通過本構方程直觀地反映出來,這對了解材料的變形特點有很大的幫助.國內外學者對材料的本構方程提出了多種模型,如Johnson-Cook模型、Arrhenius模型、Zerilli-Armstrong模型等.其中,Arrhenius模型的預測結果更為準確,故常被用于構建各種金屬材料的本構方程[6].利用材料的熱加工圖可在一定的條件下描述材料的可加工性,這樣可以減少制定熱加工工藝的時間,節約成本.目前,熱加工圖主要可分為原子模型、動態材料模型及動力學模型3種.然而原子模型與動力學模型適用面較窄,往往只適用于簡單合金的穩態變形過程.動態材料模型以大塑性變形連續介質力學、物理模擬以及不可逆熱力學理論為基礎,不僅解決了模型應用范圍較窄的問題,還闡述了材料的本構方程與微觀組織演變以及室溫與熱加工性之間所存在的關系[7].

因此,本文通過熱物理模擬試驗研究高錳無磁鋼在不同變形溫度及應變速率下的熱壓縮行為,進而建立該試驗鋼的高溫本構方程,并利用動態材料模型建立其熱加工圖,確定其在不同應變條件下的熱加工安全區域與失穩區域,為制定高錳無磁鋼的生產工藝提供理論依據.

1 材料與方法

2 結果與分析

2.1 真應力-真應變曲線

高錳無磁鋼在等溫等速壓縮變形時的真應力-真應變曲線如圖1所示.由圖1可以看出,在不同的變形條件下的高錳無磁鋼真應力-真應變曲線的變化趨勢大致相似.在熱變形的初始階段,隨著變形程度的增加,材料的流變應力急速增加,這是由于此階段材料內部以加工硬化為主,位錯密度隨著應變的增加而不斷累積,導致流變應力急速增加[8],出現圖1中的現象.當應變達到臨界應變時,由于材料內部發生了動態回復或動態再結晶,產生了回復再結晶軟化,抵消了一部分加工硬化,流變應力的增加速率減小[9];當加工硬化和動態軟化達到動態平衡時,流變應力也保持一個相對穩定的狀態.

圖1 高錳無磁鋼真應力-真應變曲線Fig.1 True stress-strain curves for high manganese non-magnetic steel

2.2 流變應力模型的建立

(1)

流變應力處于不同的水平條件時,F(σ)有以下3種表現形式:

(2)

分別對式(2)中不同應力水平條件下的函數等式兩邊取對數得:

(6)

當變形速率一定時,對式(5)兩邊1/T求偏導得:

(7)

令

(8)

對式(6)、式(7)聯立,得:

(10)

式中,Z為溫度補償的應變速率因子.

將變形激活能Q代入式(10),則Z因子可表述為

(11)

當Q和T之間不相關時,對式(10)兩邊取對數得:

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)].

(12)

將對應的變形溫度、應變速率和流變應力代入式(12),線性擬合lnZ-ln[sinh(ασ)]的關系,如圖3所示.線性回歸直線的截距lnA=36.111 64,則A=4.82×1015.

圖3lnZ-ln[sinh(ασ)]的線性擬合關系圖

Fig.3DiagramoflinearfittingrelationshipbetweenlnZandln[sinh(ασ)]

將求得的參數值α、A、n、Q代入等式(10)中,可得到高錳無磁鋼的高溫流變應力本構方程

根據式(10),可將流變應力σ表示為Z因子的函數

(14)

因此,實驗研究的高錳無磁鋼包含Z因子的高溫流變應力本構方程可表示為

2.3 熱加工圖的構建與分析

根據動態材料模型(DMM)的理論,材料在發生塑性變形時所吸收的總功率P可以由耗散量G和協耗散量J組成.其中耗散量G是材料發生塑性變形造成的功率消耗,其中大部分轉化成黏塑性熱,其余以晶體缺陷能的形式存儲,協耗散量J為材料變形過程中組織演化所消耗的能量.這一過程可表示為[13-14]

(16)

熱加工過程中耗散量G和協耗散量J的瞬時分配比例由材料在一定應力條件下的應變速率敏感指數m決定,

(17)

協耗散量J可表示為

(18)

其中,m值隨著隨溫度和應變速率呈非線性變化.當m=1時,材料處于力量線性耗散狀態,J達到最大值,即

(19)

式(19)引入功率耗散因子η,則材料成形過程中顯微組織演變所消耗的能量與線性耗散能量的關系可表示為

(20)

(21)

圖4是實驗高錳無磁鋼在應變為0.3、0.4、0.5、0.6時的熱加工圖,圖中的等值線數值是能量耗散率η值,其灰色區域代表加工失穩區域,其余區域為加工穩態區域.

圖4 不同應變量下實驗高錳無磁鋼的熱加工圖Fig.4 Thermal processing maps of the experimental high manganese steel under different strains(a)—ε=0.3; (b)—ε=0.4; (c)—ε=0.5; (d)—ε=0.6.

由圖4可以看出,在不同應變條件下,功率耗散因子η極大值都出現在低應變速率和高變形溫度條件下,且η值隨著變形溫度的增加逐漸增大.由圖4a可見,0.3應變下的失穩區域主要集中在低溫(900～1 000 ℃)、低應變速率(0.1～1.0 s-1)和高溫(1 000～1 100 ℃)、高應變速率(8.0～10.0 s-1)條件下;由圖4b、圖4c可見,0.4和0.5應變下的失穩區域較為相似,其失穩區域主要集中于低溫(900～970 ℃)、低應變速率(0.1～0.5 s-1)和整個高應變速率區域(8.0～10.0 s-1);由圖4d可見,0.6應變下的失穩區域幾乎貫穿于整個高應變速率(7.0～10.0 s-1)區域.避開失穩區域選擇功率耗散因子η較大值對應的區域即為最佳變形區.由此可得實驗高錳無磁鋼在各變形條件下的最佳加工工藝參數:應變為0.3時,最佳變形區域為溫度1 050～1 100 ℃,應變速率0.1～0.3 s-1;應變為0.4時,最佳變形區域溫度為1 050～1 100 ℃,應變速率0.1～0.5 s-1;應變為0.5時,最佳變形區域溫度為1 000～1 100 ℃,應變速率0.1～0.6 s-1;應變為0.6時,最佳變形區域溫度為1 000～1 100 ℃,應變速率0.1～0.5 s-1.綜合各應變下的熱加工圖,可得到該實驗鋼種最優的變形溫度和應變速率分別為1 050～1 100 ℃和0.1～0.3 s-1.

3 結 論

2) 在不同應變條件下,加工圖中功率耗散因子η的極大值都出現在低應變速率和高變形溫度下,且隨著變形溫度的增加,η值逐漸增大;流變失穩區主要存在于低溫低應變速率區和高溫高應變速率區.

3) 實驗鋼種的最優熱加工工藝參數:變形溫度為1 050～1 100 ℃,應變速率為0.1～0.3 s-1.