超高強度鋼A100 本構方程與動態再結晶行為

林發駒，李 雄，吳鋮川

（1.攀鋼集團研究院有限公司,四川 攀枝花 617000；2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室,遼寧 鞍山 114009）

0 引言

超高強度鋼由于具備超高強度、優良的沖擊韌性、耐腐蝕性以及疲勞斷裂而被廣泛應用于飛機起落架主承力構件、機翼主梁、平尾轉軸、直升機旋翼軸、接頭和對接螺栓等，是航空制造業必不可少的材料之一[1?2]。為滿足大型航空構件材料的使用要求，科研工作者在Co-Ni 馬氏體鋼的基礎上建立了高強度和高韌性的二次硬化型超高強度鋼。1978年，Little[3]在HY180 的基礎上提高C 和Co 元素含量，成功開發出AF1410 鋼，抗拉強度達到1 600 MPa的同時斷裂韌性為150 MPa·m1/2，還具有良好的可焊接性和抗應力腐蝕性能，可在海洋氣候條件下應用，但強度沒有達到大型航空件的要求。1991 年由美國Carpenter Technology 公司的Hemphill 等[4]在AF1410 鋼的基礎上沿用其冶金思路，采用統計理論和計算機技術，構建了一個Fe-Co-Ni-Mo-Cr-C 合金系性能和元素間相互作用關系的計算機模型，成功設計和試驗驗證了一種新型二次硬化型超高強度鋼Aer Met100（簡稱為 A100）。與AF1410 鋼相比，該鋼進一步重點突出 C、Cr、Mo 元素與基體共格析出的細小碳化物M2C 來達到強化效果，且鋼中高的純凈度保證了其具有最佳的強度和韌性配合，即抗拉強度≥1 930 MPa，斷裂韌性≥110 MPa·m1/2，同時還具有較好的抗海水腐蝕性能、焊接性能和抗疲勞性能，曾被美國的 Research and Development 雜志評為1991 年100 項最重要的發明之一[5]。A100 鋼在美國已成功用于F/A-18、F-22 飛機起落架[6]。

目前，國內除了撫鋼能生產出滿足飛機起落架用超高強鋼A100 產品外，國內其他特鋼企業，如冶鋼、攀長特都還處于研發階段，其中鋼的純凈度、變形工藝和熱處理工藝全流程控制技術環環相扣，是成功開發A100 超高強度鋼的關鍵。在熱變形方面，為了獲得細小而均勻的組織，同時消除偏析、晶粒粗大等組織缺陷，應嚴格控制均熱溫度和保溫時間，采用大變形多道次鍛造工藝及合適的冷卻工藝，使材料發生動態再結晶[7?9]。因此，研究超高強鋼A100 熱變形及動態再結晶行為具有指導意義。

1 試驗材料及方法

本試驗所使用的材料為某廠一鐓一拔鍛造開坯后的A100 棒料，其主要化學成分（%）為：C 0.23,Co 13.93,Ni 11.72,Cr 3.13,Mo 1.30,Si 0.05,Mn 0.012,Al 0.010,Ti 0.007,P 0.002 4,S 0.001 2，O 0.000 9，N 0.001 1。在棒料直徑1/4 處取樣加工成?8 mm×12 mm 的圓柱試樣，采用Gleeble-3500 熱模擬試驗機進行不同溫度壓縮試驗，設定變形溫度為 850～1 200 ℃，每隔50 ℃為一組，共8 組試驗，應變速率分別為 0.01、0.1、1 s?1和 10 s?1，變形程度為 63.3%（真應變約為1）。試樣壓縮前以5 ℃/s 的升溫速率加熱至設定變形溫度、保溫 5 min 以保證試樣內部溫度均勻，然后以四種不同的應變速率進行壓縮變形，壓縮后以20 min 緩慢冷卻到常溫。

2 試驗結果與討論

2.1 應變溫度對A100 鋼流變應力的影響

圖1 為A100 超高強度鋼不同變形溫度下的真實應力-應變曲線。

圖1 變形溫度一定、不同變形速率的真實應力-應變曲線Fig.1 True stress-strain curve of samples deformed at different temperatures and strain rates

金屬的流變應力主要與變形溫度、應變速率和變形量有關[10]。根據應力隨著應變變化情況的不同，分為動態再結晶型和動態回復型。流變應力隨著應變的增加而增加，之后趨于穩定，這一類為動態回復型；流變應力隨著應變的增加增至某一峰值后又下降至一穩定值，這一類為動態再結晶型[11?12]。從圖1 可以看出，當應變溫度為850 ℃、變形速率為0.01～10 s?1，A100 鋼的流變應力在變形初始階段就達到峰值，結合變形溫度850 ℃、變形速率1 s?1的金相組織（圖2）可知，該階段屬于動態回復。其主要原因是由于該階段變形溫度較低，原子擴散的熱激活能小，位錯滑移所需要的臨界切應力大，而且應變速率越大，變形時間就越短，位錯的滑移和攀移不能充分進行[8]。

圖2 變形溫度850 ℃、變形速率1 s?1 的金相組織Fig.2 Metallographic structure of sample after deformation at 850 ℃ and deformation rate of 1 s?1

隨著變形溫度和變形量的增大，A100 鋼的流變應力在剛開始時隨著應變的增加上升，之后開始下降。這是因為在變形初始階段由于加工硬化占主導地位，所以流變應力隨著應變的增加而增加，之后當變形大于峰值應變，動態再結晶發生軟化作用，流變應力隨應變的增加而減小，這種規律在變形溫度為900～1 200 ℃、應變速率為0.01～10 s?1、真應變大于0.4 時最為明顯。由此可知，此時A100 鋼的流變應力曲線屬于典型的動態再結晶流變應力曲線，而且溫度越高，再結晶越容易，流變應力越小；應變速率越低，變形時間越久，再結晶越充分，且新生成的晶粒有較長時間長大，使得動態再結晶更易進行，同時應變速率低時材料的臨界切應力降低，導致變形抗力降低。應變速率為 10 s?1、變形溫度不同時，A100 鋼的動態再結晶及長大規律如圖3 所示。

圖3 不同變形溫度下熱壓縮A100 鋼的顯微組織(=10 s?1)Fig.3 Microstructure of hot compressed A100 steel at different deformation temperatures (=10 s?1)

從圖3 可知，變形速率為10 s?1，當變形溫度為900 ℃時，明顯觀察到細小的再結晶組織，原始組織有所拉長，表明該溫度下發生不完全再結晶；當變形溫度大于等于950 ℃時，A100 材料完成了動態再結晶，并且隨著加熱溫度升高，再結晶晶粒尺寸不斷長大。這是由于溫度升高，熱變形激活能增大，動態再結晶形核率升高，但是同時溫度的升高增大了晶粒長大驅動力，晶界遷移能力增強，使得動態再結晶過程中晶粒長大速度大于晶粒形核速度。因此，為獲得A100 鋼細小均勻的完全動態再結晶組織，終鍛溫度最好控制在950～1 050 ℃范圍內。

2.2 應變速率對A100 鋼流變應力的影響

圖4 為A100 超高強度鋼不同變形溫度下的真實應力-應變曲線。由圖4 可知，應變速率一定時，材料的流變應力隨著溫度的升高而降低，并且隨著變形速率的增加，材料的流變應力不斷增大。這是由于當應變速率一定時，隨著溫度的升高，組織中的位錯不斷減少，變形時金屬滑移需要克服的阻力越來越小。另一方面，變形溫度一定時，隨著應變速率增加，使得單位時間內產生的位錯密度增加，增大了合金的加工硬化程度，同時材料的變形時間縮短，動態再結晶形核數目減小，加工軟化程度降低，從而使合金的流動應力值相應增大。圖5 比較了變形溫度為 950～1 050 ℃、不同應變速率下 A100 超高強度鋼的動態再結晶與長大行為。

圖4 變形速率一定、不同變形溫度的真實應力-應變曲線Fig.4 True stress-strain curves of samples deformed at different temperatures and strain rates

圖5 不同變形溫度下熱壓縮A100 鋼的顯微組織Fig.5 Microstructure of hot compressed A100 steel at different deformation temperatures

由圖5 可以看出，當變形溫度在950～1 050 ℃時，在應變速率 0.1～10 s?1范圍內，材料均發生了動態再結晶。當變形溫度一定，隨著變形速率的增加，動態再結晶的晶粒度先降低再長大；當變形速率一定，隨著變形溫度的增加，動態再結晶的晶粒不斷長大，其中變形速率為1 s?1獲得的晶粒度最小。

應變速率為0.1 s?1，變形溫度為950 ℃時，動態再結晶晶粒尺寸較大，且動態再結晶晶界不規則，晶粒呈粗化趨勢。這是因為低應變速率下動態再結晶相對容易發生，且低應變速率對應較長的變形持續時間，再結晶晶粒有足夠的時間長大；此外低應變速率下原子擴散能力加強，晶界容易遷移，材料的儲存能較少，降低了動態再結晶驅動力，再結晶形核率較低，動態再結晶晶粒尺寸能夠得到充分發展。

當應變速率增大到1 s?1、變形溫度增加到1 000 ℃時，動態再結晶晶粒細化。這是由于一方面應變速率升高導致位錯存儲能增大，有利于動態再結晶的形核，抑制晶粒的繼續長大；另一方面高應變速率下，變形持續時間隨著應變速率的升高而減少，為動態再結晶提供的時間減少，原子擴散不充分，降低了再結晶晶粒的長大程度，因此在較高應變速率下可獲得細小的晶粒組織。

當應變速率增大到10 s?1，變形溫度增加到1 050 ℃時，晶粒組織進一步粗化，這是因為變形較快，產生很大的變形熱，致使合金溫度升高，儲存能增大，為再結晶晶體長大提供驅動力[13]。因此，在變形溫度一定時，建議選擇較低的變形速率，以獲得良好的綜合性能。

3 A100 鋼熱變形特征值本構方程

金屬材料高溫變形過程中，應變、變形溫度和應變速率對流變應力有很大影響。根據雙曲正弦的Arrhenius 函數關系，建立A100 鋼熱變形本構方程。其中典型的三個函數[14?16]包括：

把σp代入上式，并兩邊取對數，可得：

其中，A1、A2、A、α、n 均為與變形溫度T無關的常數；R 為氣體常數 8.314 J·(mol·K)?1；Q為變形激活能；σp為峰值應力；α、β、n1之間滿足關系：α=β/n1。

3.1 參數確定

將不同變形條件下的實驗數據值代入式(4)、式(5)，分別對lnσp～ lnεp和σp～ lnεp作圖，并對該變形溫度下的曲線進行線性擬合，所得的直線斜率即為n1值和β 值(如圖6 所示)。對不同變形溫度T下的n1值和β 值分別求平均即可得到所需求的值。求得：

圖6 應變速率 與峰值應力σp的 關系Fig.6 Relationship between strain rate and peak stress

將式(6)分別對T及求偏導，可以得到峰值應力σp與 應變速率之間的關系及峰值應力σp與變形溫度T之間的關系分別如圖7 及圖8 所示。從而可以得到：

圖8 lnsinh (ασp)與 之間的關系Fig.8 Relationship between lnsinh (ασp) and

Fig.7 Relationship between lnand lnsinh (ασp)圖7ln與lnsinh(ασp)之間的關系

根據Zener 和Holfomon 研究提出的Z 參數方程將式（3）代入可得：

對式（12）兩邊取自然對數可得：將試驗數據代入式(13)，采用Origin 軟件繪制lnZ?ln[sinh(ασp)]的關系，如圖9 所示。

圖9 Z 參數與峰值應力σp 之間的關系Fig.9 Relationship between Z parameter and peak stress σp

然后進行線性擬合，其中斜率平均值為n，截距平均值為ln A。求得n=5.875 15，A=7.509 35×1016，相關系數R2=0.996 84，表明精度較高。

3.2 A100 高強度鋼本構方程的確定

將所求得的Q、n、A 和 σ的值帶入式（5），即可得到A100 鋼熱變形流變應力本構方程（式14）。

4 結論

1) A100 高強度鋼在不同應力條件下的應力?應變曲線包含加工硬化、動態回復和動態再結晶三種特征，且流變應力隨變形溫度升高而降低，隨變形速率增加而增加。

2) 根據A100 高強度鋼熱壓縮真應力－真應變曲線形狀分析，變形溫度在850 ℃時主要發生動態回復；變形溫度在950 ℃以上均已完成動態再結晶，并且隨著溫度的增加，再結晶晶粒不斷長大。建議鍛造時采用較低的變形速率和控制終鍛溫度在950～1 050 ℃，以獲得良好的組織。

3) 基于Arrhennius 雙曲正弦模型，采用線性回歸方法建立了A100 鋼在溫度區間為 850～1 200 ℃的本構方程，其表達式為: