新型低碳高合金軸承鋼的熱變形行為與熱加工圖

武雪婷, 吳志偉, 張 軍

(1. 成都先進金屬材料產業技術研究院股份有限公司, 四川 成都 610300;2. 釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室, 四川 攀枝花 617000)

隨著國內外航空工業的不斷發展,對航空用軸承材料綜合性能提出了更嚴苛的要求。軸承在實際使用過程中需要面臨高速、高應力、高溫、沖擊等惡劣的服役環境,因而要求軸承材料具有優異的高溫性能和較好的強韌性匹配[1-3]。我國軸承鋼經歷數十年的研究,已發展至第三代[4],以CSS-42L鋼為代表的第三代高溫軸承鋼由于具有良好的強韌性匹配、優異的耐腐蝕性、較高的高溫硬度、壽命長等優點受到學者的廣泛關注[5-7]。目前國內關于CSS-42L鋼以及同類型材料的研究相對較少,已有的研究大多集中在熱處理工藝[8]、磨削性能[9]及表面鍍層后腐蝕性能[10-11]等方面。Yu等[8]研究了不同淬、回火溫度下CSS-42L鋼組織性能演變規律,闡明了熱處理工藝對其組織性能的影響機理。陳凱[9]則對CSS-42L鋼磨削加工性能進行評價并優化了磨削工藝參數。Wang等[10-11]通過沉積碳離子注入鉻涂層來提高CSS-42L鋼表面抗腐蝕性能。此外,鋼鐵研究總院在CSS-42L鋼基礎上研發了一種高Cr-Mo-Co型高溫軸承鋼,針對其組織性能調控進行了一系列研究,系統研究了淬火、深冷及回火等熱處理工藝對其組織性能的影響,并對滲碳后材料疲勞性能進行了評價,闡明了其高溫疲勞失效模式[12-16]。上述研究為國內第三代軸承鋼組織調控及性能改善提供了重要的理論依據,為其工程化應用奠定了良好的基礎。然而,關于此類鋼種熱變形行為及熱加工圖的相關研究鮮有報道。

本文以一種新型低碳高合金軸承鋼為研究對象,利用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行了等溫熱壓縮試驗,通過研究變形工藝參數對低碳高合金軸承鋼熱變形時流變應力的影響規律,建立高溫本構模型,繪制變形量為50%的熱加工圖,為制定低碳高合金軸承鋼熱加工工藝和優化工藝參數提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗鋼主要化學成分(質量分數,%)為0.10～0.15C、10.0～15.0Cr、10.0～14.0Co、4.0～8.0Mo、1.5～3.0Ni、0.50～1.0V、0.01～0.05Nb,余量Fe及不可避免雜質。試驗材料采用真空感應+真空自耗冶煉制得。在鑄錠1/2半徑處取φ8 mm×12 mm的圓柱試樣,利用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行單向熱壓縮試驗。試樣以5 ℃/s的速度升溫至900～1200 ℃,保溫5 min,使試樣內部溫度均勻,然后以0.01、0.05、0.1和1 s-1的應變速率進行等溫熱壓縮試驗,試樣總變形量為50%。變形后試樣空冷至室溫,并沿變形方向取金相試樣進行組織觀察。采用3.5 g FeCl3+1 g CuCl2+2.5 mL HNO3+50 mL H2O+50 mL HCl+50 mL無水乙醇配置成的腐蝕液對金相試樣進行腐蝕,并利用金相顯微鏡觀察其微觀組織。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫流變應力曲線

試樣在不同溫度、不同變形速率下的真應力-真應變曲線如圖1所示。可見,在變形開始階段,隨著應變增大,流變應力快速上升。這一階段,材料在外力作用下變形,內部位錯不斷增殖進一步塞積,從而導致加工硬化。隨著應變進一步增大,應力增幅減小,最后趨于平穩。說明在此階段,由于材料內部發生再結晶帶來的動態軟化和外力作用引起的加工硬化相互抵消,表現在應力-應變曲線上為曲線趨于平緩。

圖1 不同變形溫度、應變速率下試驗鋼的真應力-真應變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of the tested steel at different strain rates and deformation temperatures(a) 0.01 s-1; (b) 0.1 s-1; (c) 0.5 s-1; (d) 1 s-1

不同應變速率對試驗鋼熱變形行為產生顯著影響。當應變速率較低時(見圖1(a)),真應力-真應變曲線出現了明顯的下行趨勢,尤其是當變形溫度較高時(變形溫度1100～1200 ℃),這一現象尤為顯著。這是因為在低應變速率(0.01 s-1)下,由于變形溫度較高,材料內部組織有充足的能量及時間發生動態再結晶甚至是晶粒長大,由此帶來的動態軟化導致應力-應變曲線表現為下降趨勢。在低溫低應變速率(900～1000 ℃、0.01～0.05 s-1)下,流變應力呈先升高后降低的變化趨勢,說明在此條件下,材料內部可能發生動態回復或動態再結晶。在低溫高應變速率(900～950 ℃,0.1～1 s-1)條件下,應力隨應變增加平穩升高,由于變形溫度低、變形速率快,材料內部組織缺乏充足的再結晶驅動力,材料在外力作用下發生加工硬化導致應力逐漸增大。在高溫中高應變速率(1050～1200 ℃,0.05～0.1 s-1)條件下,應力隨應變增加呈先增大后降低的變化趨勢,說明在此變形條件下材料內部發生動態再結晶。而當應變速率為1 s-1時,所有變形溫度下真應力-真應變曲線均呈現穩步增長的趨勢,此時應變速率大,材料缺乏足夠的時間來進行能量的積累和晶界的遷移,所以流變應力持續增大,曲線一直保持上升趨勢。

由圖1可知,較低的變形溫度和變形速率均會降低試驗鋼的峰值應力。在相同的應變速率下,變形溫度越高,材料的峰值應力越小。隨著變形溫度升高,材料內部原子的熱激活能和動能增大,晶界遷移動力充足,材料容易發生動態回復與動態再結晶,因此峰值應力降低。對于應變速率為1 s-1的真應力-真應變曲線,隨著變形溫度由900 ℃增加到1200 ℃,變形抗力由大約360 MPa逐漸降低到大約95 MPa。而在相同的變形溫度下,變形速率增大變形抗力也隨之升高。在小變形速率下,由于發生了塑性變形,因而變形抗力較小;當變形速率較高時,達到相同變形量所需要的時間縮短,動態軟化進行的不夠充分,導致峰值應力相應增加。

2.2 流變應力曲線本構模型建立

(1)

當ασ<0.8時,

(2)

當ασ>1.2時,

(3)

在所有應力下,

(4)

對式(2)～(4)兩邊取對數,得:

(5)

(6)

(7)

對式(1)兩邊取自然對數,并假設熱變形激活能與溫度無關,可得:

(8)

圖2 試驗鋼不同變量之間的線性回歸分析Fig.2 Linear regression analysis between different variables of the tested steel

(9)

(10)

從圖2可以看出,擬合直線與試驗數據點之間的偏差較小,說明本模型適用于試驗鋼。

對比不同變形溫度、應變速率下試驗材料試驗測得的峰值應力與計算值,并計算Z值與試驗測得的ln[sinh(ασ)]線性相關度如圖3所示。可以看出,試驗測得的峰值應力與計算值吻合較好,線性相關系數R=0.9884,說明該模型能夠較好的預測試驗材料在熱變形過程中不同應力不同溫度下的峰值應力值,可以指導生產中計算熱加工過程中的最大載荷。

圖3 峰值應力試驗值與計算值的比較Fig.3 Comparison of experimental and calculated peak stress values

2.3 熱加工圖

為了制定合適的熱加工工藝參數,盡可能避免在加工過程中產生缺陷等,常常利用動態材料熱加工圖來為生產做指導。在熱變形過程中,材料單位體積內所吸收的總功率由塑性變形消耗的能量G(功率耗散量)和變形過程中組織變化所消耗的能量J(功率耗散余量)兩部分組成[19-20],可用下式表達:

(11)

由式(11)可知,在熱變形過程中的能量消耗主要作用于材料塑性變形及組織轉變,而應變速率敏感因子m則可用來表示兩種能量消耗之間的分配系數:

(12)

式中:ε代表變形量。而對于非線性消耗過程則可以引出系數η,表示能量耗散效率:

(13)

式中:η是一個關于變形溫度、應變速率和應變量的三元變量,反映了材料在變形過程中由于顯微組織變化消耗的能量和熱加工過程中消耗的總量之間的關系。當金屬材料在熱變形過程中,其熱加工圖中安全區內η的數值越大,表明外界對材料做的總功將更多地消耗在變形過程中材料的動態回復及動態再結晶方面,因此材料的熱加工性能也越好。

根據不同變形條件下的應變速率敏感指數m值和功率耗散因子η繪制流變失穩判據的等值輪廓曲線,得到試驗材料在變形量為50%時功率耗散圖和失穩圖,二者疊加得到熱加工圖如圖4所示。圖4(c)中陰影部分表示流變失穩區,可以看出,在低溫高應變速率(900～1000 ℃,0.1～1 s-1)及高溫高應變(1100～1200 ℃,0.1～1 s-1)條件下存在失穩區該區域η值小于0,表明在此加工條件下合金熱加工性能急劇惡化。而在低溫低應變速率(900～1000 ℃,0.01～0.1 s-1)及中高溫低應變速率(1050～1200 ℃,0.01～0.1 s-1)區域內,η值均較高,說明在這兩個工藝區間內,試驗鋼均具有較好的熱加工性能。

圖4 試驗鋼在變形量50%時的熱加工圖(a)功率耗散圖;(b)失穩圖;(c)熱加工圖Fig.4 Processing maps of the tested steel at deformation of 50%(a) power dissipation diagram; (b) instability diagram; (c) processing map

分別在低溫低應變速率(900～1000 ℃,0.01～0.1 s-1)和中高溫低應變速率(1050～1200 ℃,0.01～0.1 s-1)兩個區間中選取1000 ℃、0.01s-1及1150 ℃、0.1 s-1變形條件,觀察試樣顯微組織,結果如圖5所示。結合其流變應力曲線(見圖1)可知,當熱變形溫度較低,即使變形速率緩慢時,材料內部也僅發生動態回復,外界提供的熱能不足以使材料發生動態再結晶,變形后試驗鋼組織呈現典型的熱變形扁長狀晶粒,且由于變形溫度低,材料內部的合金碳化物未能溶解,并沿變形方向呈帶狀分布。而當變形溫度較高時,材料內部合金碳化物大部分回溶至基體,且由于外界提供充足的熱能及變形能,材料內部原子激活能高,能夠在基體內能量較高的位置形核生成新的晶粒,呈現典型的動態再結晶組織,晶粒呈等軸狀且晶粒尺寸細小均勻。因此可以確定材料最佳的熱加工工藝參數范圍為中高溫低應變速率,即變形溫度1050～1200 ℃、應變速率0.01～0.1 s-1。在此熱變形條件下,試驗鋼不僅具有優良的熱加工性能,且能夠得到組織均勻晶粒細小的完全動態再結晶組織。

圖5 不同工藝條件下試樣的顯微組織Fig.5 Microstructure of the specimens under different process conditions(a) 1000 ℃, 0.01 s-1; (b) 1150 ℃, 0.1 s-1

3 結論

1) 試驗鋼熱變形工藝為900～1000 ℃、0.01～0.05 s-1時,流變應力-應變曲線表現為動態回復特征,1050～1200 ℃、0.01～0.1 s-1時,材料在變形過程中發生動態再結晶。應變速率較高時,應力隨應變增大而增大,曲線一直保持上升的趨勢。材料流變應力受變形溫度及速率共同影響,變形溫度升高流變應力逐漸降低,變形速率越大流變應力值越高。

2) 建立了低碳高合金軸承鋼的熱變形本構方程:

3) 總變形量50%時,在低溫高應變速率(900～1000 ℃、0.1～1 s-1)和高溫高應變速率(1100～1200 ℃、0.1～1 s-1)條件下材料容易產生流變失穩。而在中高溫、中低應變速率區域內,η值較高,熱加工性能最佳。結合熱加工圖及金相組織得到試驗鋼最佳的熱加工工藝參數范圍是:變形溫度1050～1200 ℃、應變速率0.01～0.1 s-1。