鑄態(tài)42CrMo鋼多道次熱壓縮的軟化規(guī)律

呂振華，宋建麗，齊會萍，鄭 毅

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué) 金屬材料成型理論與技術(shù)山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

0 引言

42CrMo鋼是一種中碳合金鋼，其具有強(qiáng)度高、低溫韌性好等優(yōu)點。常用在機(jī)車牽引用的大齒輪、后軸等。金屬材料在多道次熱壓縮變形過程中不同的變形工藝對內(nèi)部的組織和性能影響不同。因此在多道次熱壓縮變形中會出現(xiàn)不同的熱力學(xué)行為。這種力學(xué)行為表現(xiàn)為材料多道次熱壓縮流變應(yīng)力的變化，流變應(yīng)力的變化是材料內(nèi)部組織變化的宏觀表現(xiàn)。利用熱壓縮模擬實驗研究鑄態(tài)42CrMo鋼高溫流變特性，能較準(zhǔn)確地描述在不同的變形溫度、變形程度以及道次間隔時間等參數(shù)對其流變應(yīng)力變化規(guī)律，為合理制定工藝規(guī)程提供理論依據(jù)。目前對鑄態(tài)42CrMo鋼熱壓縮變形過程中材料的軟化規(guī)律研究較少。為此，本文通過高溫?zé)釅嚎s試驗，研究鑄態(tài)42CrMo鋼的多道次熱壓縮變形的工藝參數(shù)對流變行為及材料的軟化規(guī)律的影響，對鑄態(tài)42CrMo鋼的熱變形提供一些理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 試驗條件和方法

試驗材料是離心鑄造42CrMo鋼，把鑄態(tài)42Cr－Mo鋼加工成直徑10mm、高度15mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，在Gleeble-3500熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行多道次熱壓縮試驗。在熱壓縮前將試樣兩端放上石墨片和坦片，減少熱壓縮過程中試樣斷面和壓頭之間的摩擦，保證試樣發(fā)生均勻的變形。利用計算機(jī)實時采集的各通道數(shù)據(jù)繪制真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

1.1 變形溫度的影響

如圖1所示為鑄態(tài)42CrMo鋼不同變形溫度下的熱壓縮流變應(yīng)力曲線圖，應(yīng)變速率0.1s-1。壓下量：0-20%-30%-50%-水淬，道次間隔時間為30s，不同的變形溫度對的σ-ε曲線影響如圖1所示。

圖1 不同溫度的應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖1中可知，多道次熱壓縮變形溫度對鑄態(tài)42CrMo鋼熱壓縮流變應(yīng)力有很大影響。隨著熱壓縮變形溫度的升高，材料的流變應(yīng)力發(fā)生了明顯變化。溫度是950℃時，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值是111.20MPa；溫度升高到1050℃時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值降低到72.50MPa；當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1150℃時，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值是46.60MPa。隨著溫度的不斷升高，鑄態(tài)42CrMo鋼在熱壓縮變形過程中穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值在不斷降低。多道次熱壓縮變形溫度越高材料的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力越低。

1.2 道次間隔時間的影響

多道次熱壓縮變形溫度1 0 5 0℃，應(yīng)變速率0.1 s-1，壓下量為0-20%-30%-50%。熱壓縮完成后立即水淬。圖2所示為不同道次間隔時間對鑄態(tài)42CrMo的σ-ε曲線的影響。

圖2 不同間隔時間對鑄態(tài)42CrMo應(yīng)力-應(yīng)變影響曲線

由圖2可知，多道次熱壓縮變形道次間隔時間長短，熱壓縮穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力變化并不明顯。道次間隔時間5s時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力為70.00MPa，間隔時間30s時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)72.50MPa，當(dāng)間隔時間增加到60s時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力74.40MPa，道次間隔時間增加到120s時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)73.25MPa。

1.3 不同的變形量分配方式對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

變形溫度1050℃，應(yīng)變速率0.1s-1，道次間隔時間30s時，總變形量1.272時，采用不同的變形量分配方式對鑄態(tài)42CrMo鋼材σ-ε曲線影響如圖3所示。

從圖3可以看出，在總變形量相同時，不同變形量的分配對各道次的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力影響不大。在總變形量相同的情況下用單道次壓縮時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力為74.10MPa（圖3a）；分二道次熱壓縮時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力為75.20MPa（圖3b）；分三道次熱壓縮時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值是72.50MPa（圖3c）；分五道次壓縮時穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值是79.60MPa（圖3d）。

2 鑄態(tài)42 CrMo鋼熱壓縮變形軟化過程的分析

多道次熱壓縮變形過程中，材料內(nèi)部主要發(fā)生加工硬化和軟化兩種機(jī)制，在道次間隔時間內(nèi)主要發(fā)生軟化現(xiàn)象。多道次熱壓縮對材料軟化程度的定量描述有很多方法，動態(tài)軟化和靜態(tài)軟化是材料在多道次熱壓縮變形發(fā)生軟化的主要機(jī)制。由于動態(tài)軟化材料的流變應(yīng)力達(dá)到峰值后隨應(yīng)變增加而下降。Verlinden和Wouters提出了定量計算材料的相對軟化率，該計算方法是用峰值軟化系數(shù)SPn來描述材料在多道次熱壓縮變形道次間的軟化程度,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：σPn、σPn+1分別是多道次熱壓縮變形過程相鄰兩道次的峰值應(yīng)力，σPn是、前一道次的峰值應(yīng)力，σPn+1是對應(yīng)的后一道次的峰值應(yīng)力。

當(dāng)計算結(jié)果SPn＞0時，表明多道次熱壓縮變形道次間發(fā)生了軟化，加工硬化得到部分抵消。當(dāng)計算結(jié)果SPn=0時，表明多道次熱壓縮變形道次間沒有發(fā)生軟化。當(dāng)計算結(jié)果SPn＜0時，表明多道次熱壓縮材料在道次間發(fā)生了加工硬化。計算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，多道次熱壓縮變形不同的實驗方案材料的軟化程度不同。變形溫度1050℃時隨著道次間隔時間不斷變長，各道次的流變應(yīng)力逐漸變小但變化趨勢不明顯。多道次熱壓縮變形溫度的變化對鑄態(tài)42CrMo鋼材料軟化程度有很大影響。多道次熱壓縮變形溫度是950℃時，道次間隔時間內(nèi)軟化程度很低。熱壓縮變形溫度升高鑄態(tài)42CrMo鋼材料軟化程度逐漸升高。在總變形量相同時，道次壓縮次數(shù)越多各道次的變形量就越小，軟化程度降低并且出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。

圖3 不同的變形次數(shù)對42crMo鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

表1 不同實驗方案軟化率的計算結(jié)果

3 分析討論

鑄態(tài)42CrMo鋼在多道次熱壓縮變形過程中，在多道次熱壓縮開始階段真應(yīng)變曲線幾乎呈直線上升趨勢，流變應(yīng)力的變化反映了金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，變形初始階段變形量的增加使鑄態(tài)2CrMo鋼內(nèi)部發(fā)生加工硬化，加工硬化作用提高了位錯的密度，使鑄態(tài)42CrMo鋼內(nèi)部組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在道次間隙時間內(nèi)變形后的金屬出現(xiàn)了靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，鑄態(tài)42CrMo鋼內(nèi)部發(fā)生軟化現(xiàn)象。動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的動態(tài)軟化是由位錯的攀移和交滑移引起。多道次熱壓縮變形過程中在道次間隔時間內(nèi)發(fā)生的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶不能完全消除變形過中的加工硬化，組織內(nèi)部仍有晶格畸變能存在。這些殘余的能量能使多道次熱壓縮變形組織內(nèi)部發(fā)生靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶，即材料在道次間隔時間內(nèi)發(fā)生靜態(tài)軟化。

多道次熱壓縮變形過程中溫度較低時原子激活能就很低，組織內(nèi)部能運動的滑移系很少，位錯能較低且位錯的攀移和交滑移難以進(jìn)行。多道次熱壓縮變形量的增大，位錯密度不斷升高，此時多道次熱壓縮變形材料主要發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。多道次熱壓縮變形溫度較時位錯運動比較困難，但隨著變形量的逐漸增加位錯密度的也得到提高，同時位錯能也相應(yīng)增大。因此位錯的攀移與交滑移容易發(fā)生，位錯的運動消除了加工硬化產(chǎn)生的能量，所以最終導(dǎo)致流變應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流變特征。多道次熱壓縮的溫度是950℃時，溫度較低組織內(nèi)部的位錯很難進(jìn)行攀移和交滑移，因此發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶就比較困難，材料內(nèi)部軟化程度就比較低。隨著溫度的不斷升高，位錯攀移和交滑移比較容易發(fā)生。多道次熱壓縮溫度在1050℃和1150℃時第一個道次間隔時間內(nèi)材料發(fā)生軟化程度比較高，材料的流變應(yīng)力降低。

多道次熱壓縮變形隨著道次間隔時間的延長對材料的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力影響不大。道次間隔時間內(nèi)組織主要發(fā)生靜態(tài)軟化，靜態(tài)軟化驅(qū)動力來自于熱壓縮變形過程加工硬化和動態(tài)軟化剩余的變形能。因此加工硬化和動態(tài)軟化在道次間隔時間內(nèi)達(dá)到動態(tài)的平衡，多道次熱壓縮變形穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力與道次間隔時間的長短關(guān)系不大。

多道次熱壓縮變形總變形量相同熱壓縮次數(shù)越多每一道次的變形量就越小。加工硬化程度逐漸增加軟化程度相對減少，每一個熱壓縮道次中組織機(jī)體的畸變程度變小，道次間隔時間內(nèi)驅(qū)動靜態(tài)再結(jié)晶就比較困難，各道次的軟化程度較低。所以在相同的變形量下，熱壓縮道次不適合過多，從圖3和表1可以看出適當(dāng)?shù)脑黾忧懊娴来蔚膲嚎s變形量對后續(xù)的軟化過程比較有利。在理想的試驗條件熱壓縮道次為3次最佳。熱壓縮變形量的形式如圖3c。

4 結(jié)語

（1）多道次熱壓縮變形材料流變應(yīng)力的變化和溫度變化有很大的關(guān)系。熱壓縮變形材料的流變應(yīng)力隨溫度升高而降低。多道次熱壓縮變形材料的軟化程度隨溫度的升高而增大。

（2）多道次熱壓縮隨著道次間隔時間的不斷增加，在道次間隙時間內(nèi)發(fā)生了靜態(tài)軟化，間隔時間對材料的軟化程度較為明顯，但是對鑄態(tài)42CrMo鋼的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力的影響不明顯。

（3）總變形量相同時隨著道次壓縮次數(shù)的增加，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力的變化不明顯，然而軟化程度則隨著道次的增加不斷降低。減小變形量、增加熱壓縮次數(shù)材料更容易發(fā)生加工硬化，相同的變形量熱壓縮次數(shù)不宜過多。

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