Aermet100鋼熱變形行為研究

白克非

（中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，北京 100097）

隨著國(guó)先進(jìn)航空、航天領(lǐng)域發(fā)展，AerMet100鋼就是在這種對(duì)航空、航天材料的超高強(qiáng)度性提出更高的要求的情況下研發(fā)的，它的發(fā)現(xiàn)是對(duì)史上材料的一個(gè)突破。我國(guó)飛機(jī)的起落架主要是由低合金超高強(qiáng)度鋼制造而成的，國(guó)內(nèi)的Aermet100鋼主要是參照美國(guó)Aermet100鋼的化學(xué)成分、冶煉工藝及熱處理制度標(biāo)準(zhǔn)而仿制成功的一類二次硬化型超高強(qiáng)度鋼。該鋼含有較高的Co、Ni合金元素，名義成分為23Co14Ni12Cr3Mo，具有較好的綜合力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度達(dá)到1931～2069 MPa，斷裂韌性達(dá)到KIC≥120 MPa m1/2。是我國(guó)第四代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)起落架和國(guó)防尖端武器裝備的首選材料[1～3]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)材料為AerMet100鋼鑄錠，使用熱模機(jī)對(duì)AerMet100鋼試樣進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)。試樣為直徑8 mm×高度12 mm的圓柱棒。實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)試樣端面進(jìn)行石墨片潤(rùn)滑其目的是可以有效的減小試樣端面與機(jī)器造成的摩擦，從而達(dá)到減少試樣變形時(shí)的不均勻性，避免造成過(guò)大的凸肚現(xiàn)象。Aemet100鋼典型化學(xué)成分如表1所示。

表1 Aemet100鋼典型化學(xué)元素含量

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法是分析AerMet100鋼熱變形過(guò)程，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線及原始數(shù)據(jù)，根據(jù)AerMet100超高強(qiáng)度鋼分析真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析該鋼在高溫下的流變應(yīng)力特性。

1.2.1 熱壓縮試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用是Gleeble-3500動(dòng)態(tài)熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)。此設(shè)備可以熱壓縮過(guò)程中同時(shí)同步記錄應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)變化的曲線功能。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將Φ8mm×12mm圓柱形Aemet100鋼試樣進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣加熱速度為10℃/s。保溫時(shí)間為5 min。試樣熱壓縮變形后用迅速水冷卻以保持高溫奧氏體組織。

整個(gè)熱壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中包括，加熱、保溫、壓縮、冷卻四個(gè)階段，全部的的溫度控制路線圖，如下圖1所示。

圖1 壓縮過(guò)程中溫度控制示意圖

1.2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體如下表2、表3、表4所示。

表2 第一組試樣編號(hào)及變形條件

表3 第二組試樣編號(hào)及變形條件

表4 第三組試樣編號(hào)及變形條件

2 AerMet100鋼熱變形行為

2.1 AerMet100鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制得到的各組真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2、圖3、圖4所示[4]。

圖2 第一組真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線（）

圖3 第二組真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線（）

（a）930℃ （b）960℃

圖4 第三組真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線（））

從整體上看Aemet100鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在所有熱變形條件下都是，真應(yīng)力在變形初始階段隨真應(yīng)變的增加而以一種極快的速度上升，達(dá)到拐點(diǎn)后卻出現(xiàn)了三種完全不同的反應(yīng)[5]。第一組的在熱變形溫度為800、830℃下和溫度為860、890、920℃應(yīng)變速率為0.1、1、10 s-1等高應(yīng)變速率條件下，隨真應(yīng)變的增加真應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢的上升直至變形結(jié)束的情況，這表明此時(shí)Aemet100鋼明顯受到加工硬化作用的影響。

第二種像第一組的在熱變形溫度為在變形溫度為890、920℃應(yīng)變速率為0.01、0.05、0.1 s-1等低應(yīng)變速率和第二組的在熱變形溫度為990、1020、1050℃的0.01、0.05 s-1等低應(yīng)變速率下，隨真應(yīng)變的增加真應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢的上升達(dá)到峰值后開(kāi)始趨于平緩直至結(jié)束，這種情況的平穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力與峰值應(yīng)力是相等的，它說(shuō)明此時(shí)試樣內(nèi)部的動(dòng)態(tài)軟化作用接近加工硬化作用使得真應(yīng)變保持平衡。其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。高應(yīng)變速率情況下，隨真應(yīng)變的增加真應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢的上升達(dá)到峰值后開(kāi)始逐漸緩慢的下降直至變形結(jié)束，說(shuō)明曲線明顯受到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用的影響。不同組不同溫度對(duì)峰值應(yīng)力的影響如圖5所示。

圖5 溫度-峰值應(yīng)力

在應(yīng)變速率和變形量相同時(shí)，當(dāng)變形溫度的降低，流變應(yīng)力相應(yīng)增大，并且在相同溫度間隔區(qū)間，低溫段的峰值應(yīng)力差值要大于高溫段峰值應(yīng)力差值。并且當(dāng)應(yīng)變速率保持恒定時(shí)，溫度對(duì)合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的影響要比應(yīng)變速率較大，在高溫下，Aemet100鋼的峰值應(yīng)力與穩(wěn)態(tài)應(yīng)力基本相等，差值很小。表現(xiàn)出真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線相對(duì)平穩(wěn)。

從圖中可以看出在，更高應(yīng)變速率下隨著變形溫度的增加峰值應(yīng)力的降低更快。并且不同應(yīng)變速率情況下的峰值應(yīng)力降低程度也隨這溫度的升高而減小。在這種溫度不變的情況下，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的減小而下降的情況說(shuō)明了Aemet100鋼屬于正應(yīng)變速率敏感型材料。

對(duì)于第一組：800℃時(shí)不同應(yīng)變速率條件下應(yīng)力峰值如下表5。第一組所有溫度時(shí)不同應(yīng)變速率條件下應(yīng)力峰值如下圖6。從表中可以看出，在800℃條件下，Aemet100鋼隨著應(yīng)變速率的增大峰值應(yīng)力同樣增大。從圖中可以看出，在800、830、860、890、920℃下峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化的趨勢(shì)與800℃條件下的變化趨勢(shì)相同。

表5 800℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力

圖6 第一組不同應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力的關(guān)系

對(duì)于第二組：930℃時(shí)不同應(yīng)變速率條件下應(yīng)力峰值如下表6。第二組所有溫度時(shí)不同應(yīng)變速率條件下應(yīng)力峰值如下圖7。從表中可以看出，在930℃條件下，Aemet100鋼隨著應(yīng)變速率的增大峰值應(yīng)力同樣增大。從圖中可以看出，在930、960、990、1020、1050℃下峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化的趨勢(shì)與930℃條件下的變化趨勢(shì)相同。

表6 30℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力

圖7 第二組不同應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力的關(guān)系

對(duì)于第三組：1080℃時(shí)不同應(yīng)變速率條件下應(yīng)力峰值如下表7。第三組所有溫度時(shí)不同應(yīng)變速率條件下應(yīng)力峰值如下圖8。從表中可以看出，在1080℃條件下，Aemet100鋼隨著應(yīng)變速率的增大峰值應(yīng)力同樣增大。從圖中可以看出，在1080、1100、1130、1160、1200℃下峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化的趨勢(shì)與1080℃條件下的變化趨勢(shì)相同。

表7 1080℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力

圖8 第三組不同應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力的關(guān)系

從整體上可以得出Aemet100鋼熱變形是溫度一定條件下，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而升高。

2.2 Aemet100鋼應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值的計(jì)算

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)直接影響實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度。而金屬所受阻力、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等等又直接影響到位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。m為金屬塑性變形時(shí)金屬的流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率的敏感性參數(shù)，即當(dāng)應(yīng)變速率增大時(shí)金屬向強(qiáng)化傾向行動(dòng)的參數(shù)，稱為其應(yīng)變速率敏感性指數(shù)。m是金屬的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)之一，所以研究m參數(shù)對(duì)該鋼熱變形影響而描述金屬材料的變形行為，可以為設(shè)計(jì)工藝時(shí)參數(shù)的選定提供重要的參考。

圖9 不同組ln與的關(guān)系

取不同溫度下對(duì)應(yīng)的五條-曲線的斜率為Aemet100鋼的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)填入如表8、9、10中。從表8、9、10可以看出，該三組Aemet100鋼的m值隨溫度的升高而增大，這說(shuō)明隨溫度的升高Aemet100鋼的塑性變得越來(lái)越好。

表8 第一組不同溫度下Aemet100鋼的m值

表9 第二組不同溫度下Aemet100鋼的m值

表10 第三組不同溫度下Aemet100鋼的m值

3 結(jié)論

根據(jù)采集得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析并獲得的Aemet100鋼熱變形行主要結(jié)論如下：Aemet100鋼熱變形時(shí)的峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比關(guān)系，而與溫度成反比關(guān)系。這表明Aemet100鋼是具有負(fù)的溫度敏感性和正的應(yīng)變速率敏感性材料。