60鋼熱壓縮變形行為及其變參數Arrhenius本構方程

趙勁松，周昌磊，黃素霞，李河宗

(1.河鋼集團邯鋼公司大型軋鋼廠，邯鄲 056015；2.河北工程大學河北省智能工業裝備技術重點實驗室，邯鄲 056038)

0 引 言

60鋼是一種碳質量分數在0.57%～0.65%的碳素結構鋼，廣泛應用于電力鋼纜、輪軸、家具彈簧及各種墊圈等受力較大的高強度零件[1]。此外，60鋼還具有高硬度、高強度及低成本等優點，在耐磨鋼球方面有很好的應用前景。為了確定60鋼的熱加工工藝參數，需要對60鋼的高溫塑性變形行為及其影響因素進行研究。近年來，研究人員提出了多種描述金屬材料高溫變形行為的本構方程，其中最典型的一種是考慮變形溫度和應變速率的Arrhenius本構方程。但是傳統的Arrhenius本構方程未考慮變形程度的影響，為此研究人員對方程進行了改進[2-5]，將方程中的各參數與應變相結合，考慮了應變對流變應力的影響，得到了材料變參數流變應力本構方程，從而獲得了適用于42CrMo合金、TC20鈦合金、316LN不銹鋼等材料的更加精確的高溫變形應力-應變本構關系[5-7]。為了獲得高硬度、低成本耐磨60鋼球的高溫成形工藝，作者通過Gleeble-1500型熱模擬試驗機對60鋼的高溫變形行為進行研究，構建了60鋼變參數Arrhenius本構方程，并對方程進行了驗證。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為某鍛軋耐磨鋼球廠試驗用60鋼，化學成分見表1。將試驗鋼加熱到1 100 ℃保溫3 min奧氏體化后，立即放入室溫水中淬火得到的熱壓縮變形前的初始顯微組織，如圖1所示。

表1 60鋼的化學成分

圖1 60鋼熱壓縮變形前的原始顯微組織Fig.1 Original microstructure of 60 steel before hotcompression deformation

將試驗材料加工成直徑為8 mm，高度為12 mm的圓柱形試樣，在Gleeble-1500型熱模擬試驗機上進行單道次熱壓縮試驗。試樣以5 ℃·s-1的速率加熱到1 100 ℃進行奧氏體化，保溫3 min，然后以5 ℃·s-1的速率冷卻至變形溫度(730，750，800，850，900，1 000 ℃)，保溫30 s后，再分別以不同的應變速率(0.01，0.1，1，5，10 s-1)進行壓縮，壓縮總真應變為0.8，隨即放到水中淬火，以保留變形后的組織。為了避免加熱及變形過程中金屬氧化，在氬氣保護下進行熱壓縮試驗。為進一步減小摩擦的影響，壓頭與試樣端面之間墊有涂抹二硫化鉬的鉭片。試驗過程中的載荷、位移、應力、應變、溫度等數據通過熱模擬試驗機的計算機系統直接獲取。

對熱壓縮后的試樣進行鑲嵌，依次采用400#，800#，1200#，2000#砂紙打磨，采用W1.5金剛石拋光膏進行拋光，采用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在ICX41M型倒置光學顯微鏡下觀察顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 真應力-真應變曲線

由圖2可以看出：變形溫度越高，應變速率越低，60鋼的流變應力越小，反之越大。在熱壓縮變形的初始階段，60鋼的流變應力迅速增大，這是由于位錯增殖帶來的加工硬化現象明顯，軟化機制來不及發揮作用而導致的；隨后隨著變形的進一步增大，流變應力緩慢增加直至峰值，此時晶粒內參與滑移的可動位錯數量增加，動態軟化作用增強；流變應力在達到峰值以后，隨應變增加趨于平穩或者減小，這是因為60鋼進一步發生了動態再結晶，導致軟化作用與加工硬化相平衡甚至占主導地位。其中：在較高應變速率(5，10 s-1)和較低變形溫度(730，750，800 ℃)下的軟化機制主要為動態回復，軟化作用不明顯，因此達到峰值后的流變應力降幅較小；在較低應變速率(0.01，0.1 s-1)下，軟化作用增強，流變應力下降趨勢較明顯，特別是在較高變形溫度下，降幅更加顯著。這是因為變形溫度越高，原子的能量越高，越有利于原子的運動及擴散，從而促進動態回復和動態再結晶的發生；應變速率越小，變形的時間越長，動態再結晶就越充分[8-9]。此外，在應變速率為10 s-1時，60鋼的真應力-真應變曲線呈現出比較明顯的鋸齒狀波動，這是由于壓縮過快導致試樣中的位錯急劇增加，使晶界周圍產生新的形核，產生較強的動態回復軟化，并且軟化作用與硬化作用交替進行。

圖2 在不同變形溫度和應變速率下壓縮時60鋼的真應力-真應變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of 60 steel during compression at different deformation temperatures and strain rates

2.2 顯微組織

由圖3可以看出：在850 ℃壓縮變形后60鋼的顯微組織相對于變形溫度為800，750，730 ℃壓縮變形后粗大，存在明顯的再結晶現象，且組織較均勻，這與圖2(d)顯示的明顯的軟化現象相一致；在800 ℃熱壓縮變形后顯微組織沒有明顯的條帶狀變形特征，出現了再結晶現象，與圖2(c)顯示的軟化現象相一致；在730 ℃熱壓縮變形后顯微組織呈條帶狀分布，表明壓縮導致的變形晶粒未發生動態再結晶，仍保持了變形形貌，這與圖2(a)顯示的軟化現象一致。因此，可以確定60鋼的臨界變形溫度在750 ℃左右。

圖3 在應變速率0.01 s-1不同變形溫度下壓縮至真應變為0.8時60鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of 60 steel after compression to true strain of 0.8 at strain rate of 0.01 s-1 and different deformation temperatures

圖4 真應變0.5時60鋼流變應力與應變速率和變形溫度之間的關系Fig.4 Relationship between flow stress and strain rate or deformation temperature of 60 steel at 0.5 true strain: (a) (b) relationship of ln (c) relationship of ln sinh(ασ) and (d) relationship of ln sinh(ασ)-1/T

3 變參數Arrhenius本構方程的建立及驗證

3.1 變參數本構方程建立

金屬材料在熱塑性變形時，其流變應力、應變速率與溫度之間的關系可由Arrhenius本構方程[10-13]表示：

(1)

低應力水平(ασ<0.8)與高應力水平(ασ>1.2)下流變應力、應變速率與溫度之間的關系均可由任意應力水平下的雙曲正弦表達式表征。

金屬材料在熱塑性變形過程中，應變速率與變形溫度通過Z參數影響應力和應變關系；Z參數被稱為溫度補償應變速率因子[14-16]，其表達式及與應力之間的關系如下：

(2)

由式(2)可得流變應力的表達式為

(3)

對式(1)兩邊取自然對數，則有：

(4)

(5)

(6)

將變形溫度、應變速率和相應的熱變形激活能代入式(2)，即可得到相應變形條件下的Z參數值，再擬合出lnZ-ln sinh(ασ)的直線關系，如圖5所示，則該直線在lnZ軸上的截距即為lnA的值，由此得到A=1.969×1013。

圖5 ln Z-ln sinh(ασ)關系Fig.5 Relationship of ln Z-ln sinh(ασ)

將Q，n，α，A值代入任意應力水平下雙曲正弦表達式，即可得60鋼的Arrhenius本構方程：

(7)

將n，α，A值代入式(3)中，則60鋼在真應變為0.5時的流變應力方程為

(8)

由Arrhenius本構方程可以直觀地知道，流變應力與應變速率和變形溫度有關，并且流變應力還與應變有關，是應變的函數。按照上述方法分別求得真應變為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8時60鋼的各材料參數值，采用五次多項式對各參數和真應變進行擬合，擬合所用五次多項式為

(9)

式中：α(ε)，n(ε)，A(ε)為隨真應變變化的Arrhenius本構方程材料參數；Q(ε)為隨真應變變化的熱變形激活能；a0～a5，b0～b5，c0～c5，d0～d5為五次多項式系數。

各五次多項式擬合系數見表2，代入式(9)即得到變參數α(ε)，n(ε)，A(ε)，Q(ε)表達式。則60鋼的變參數Arrhenius本構方程可表示為

(10)

表2 五次多項式擬合系數

3.2 本構方程驗證

由圖6可知，由式(10)預測得到的流變應力和試驗值比較接近，相關系數R達到0.994 597，表明所建立的變參數Arrhenius本構方程能夠較好地預測60鋼的流變應力。

圖6 由式(10)預測得到的60鋼流變應力與試驗值的對比Fig.6 Comparison of flow stresses of 60 steel predicted by equation (10) with test values

4 結 論

(1) 變形溫度越高，應變速率越低，60鋼的流變應力越小，反之越大；在較高應變速率和較低變形溫度下，60鋼熱壓縮變形的軟化機制主要為動態回復，在較高變形溫度和較低應變速率下則主要為動態再結晶。

(2) 建立的60鋼變參數Arrhenius本構方程對流變應力的預測值與試驗值的相關系數達到0.994 597，該變參數本構方程具有較高的預測精度。