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(jìn)金屬材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 攀枝花 617000)

隨著國內(nèi)外航空工業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)航空用軸承材料綜合性能提出了更嚴(yán)苛的要求。軸承在實(shí)際使用過程中需要面臨高速、高應(yīng)力、高溫、沖擊等惡劣的服役環(huán)境,因而要求軸承材料具有優(yōu)異的高溫性能和較好的強(qiáng)韌性匹配[1-3]。我國軸承鋼經(jīng)歷數(shù)十年的研究,已發(fā)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(qiáng)韌性匹配、優(yōu)異的耐腐蝕性、較高的高溫硬度、壽命長等優(yōu)點(diǎn)受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-7]。目前國內(nèi)關(guān)于CSS-42L鋼以及同類型材料的研究相對(duì)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(guī)律,闡明了熱處理工藝對(duì)其組織性能的影響機(jī)理。陳凱[9]則對(duì)CSS-42L鋼磨削加工性能進(jìn)行評(píng)價(jià)并優(yōu)化了磨削工藝參數(shù)。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(chǔ)上研發(fā)了一種高Cr-Mo-Co型高溫軸承鋼,針對(duì)其組織性能調(diào)控進(jìn)行了一系列研究,系統(tǒng)研究了淬火、深冷及回火等熱處理工藝對(duì)其組織性能的影響,并對(duì)滲碳后材料疲勞性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),闡明了其高溫疲勞失效模式[12-16]。上述研究為國內(nèi)第三代軸承鋼組織調(diào)控及性能改善提供了重要的理論依據(jù),為其工程化應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。然而,關(guān)于此類鋼種熱變形行為及熱加工圖的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

本文以一種新型低碳高合金軸承鋼為研究對(duì)象,利用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了等溫?zé)釅嚎s試驗(yàn),通過研究變形工藝參數(shù)對(duì)低碳高合金軸承鋼熱變形時(shí)流變應(yīng)力的影響規(guī)律,建立高溫本構(gòu)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(yōu)化工藝參數(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)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(zhì)。試驗(yàn)材料采用真空感應(yīng)+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(yàn)機(jī)進(jìn)行單向熱壓縮試驗(yàn)。試樣以5 ℃/s的速度升溫至900～1200 ℃,保溫5 min,使試樣內(nèi)部溫度均勻,然后以0.01、0.05、0.1和1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行等溫?zé)釅嚎s試驗(yàn),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(jìn)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(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕,并利用金相顯微鏡觀察其微觀組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫流變應(yīng)力曲線

試樣在不同溫度、不同變形速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示?？梢?在變形開始階段,隨著應(yīng)變?cè)龃?流變應(yīng)力快速上升。這一階段,材料在外力作用下變形,內(nèi)部位錯(cuò)不斷增殖進(jìn)一步塞積,從而導(dǎo)致加工硬化。隨著應(yīng)變進(jìn)一步增大,應(yīng)力增幅減小,最后趨于平穩(wěn)。說明在此階段,由于材料內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶帶來的動(dòng)態(tài)軟化和外力作用引起的加工硬化相互抵消,表現(xiàn)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上為曲線趨于平緩。

圖1 不同變形溫度、應(yīng)變速率下試驗(yàn)鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)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(yīng)變速率對(duì)試驗(yàn)鋼熱變形行為產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)(見圖1(a)),真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線出現(xiàn)了明顯的下行趨勢(shì),尤其是當(dāng)變形溫度較高時(shí)(變形溫度1100～1200 ℃),這一現(xiàn)象尤為顯著。這是因?yàn)樵诘蛻?yīng)變速率(0.01 s-1)下,由于變形溫度較高,材料內(nèi)部組織有充足的能量及時(shí)間發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶甚至是晶粒長大,由此帶來的動(dòng)態(tài)軟化導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。在低溫低應(yīng)變速率(900～1000 ℃、0.01～0.05 s-1)下,流變應(yīng)力呈先升高后降低的變化趨勢(shì),說明在此條件下,材料內(nèi)部可能發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在低溫高應(yīng)變速率(900～950 ℃,0.1～1 s-1)條件下,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾悠椒€(wěn)升高,由于變形溫度低、變形速率快,材料內(nèi)部組織缺乏充足的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力,材料在外力作用下發(fā)生加工硬化導(dǎo)致應(yīng)力逐漸增大。在高溫中高應(yīng)變速率(1050～1200 ℃,0.05～0.1 s-1)條件下,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾映氏仍龃蠛蠼档偷淖兓厔?shì),說明在此變形條件下材料內(nèi)部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。而當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí),所有變形溫度下真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢(shì),此時(shí)應(yīng)變速率大,材料缺乏足夠的時(shí)間來進(jìn)行能量的積累和晶界的遷移,所以流變應(yīng)力持續(xù)增大,曲線一直保持上升趨勢(shì)。

由圖1可知,較低的變形溫度和變形速率均會(huì)降低試驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力。在相同的應(yīng)變速率下,變形溫度越高,材料的峰值應(yīng)力越小。隨著變形溫度升高,材料內(nèi)部原子的熱激活能和動(dòng)能增大,晶界遷移動(dòng)力充足,材料容易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,因此峰值應(yīng)力降低。對(duì)于應(yīng)變速率為1 s-1的真應(yīng)力-真應(yīng)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(fā)生了塑性變形,因而變形抗力較小;當(dāng)變形速率較高時(shí),達(dá)到相同變形量所需要的時(shí)間縮短,動(dòng)態(tài)軟化進(jìn)行的不夠充分,導(dǎo)致峰值應(yīng)力相應(yīng)增加。

2.2 流變應(yīng)力曲線本構(gòu)模型建立

(1)

當(dāng)ασ<0.8時(shí),

(2)

當(dāng)ασ>1.2時(shí),

(3)

在所有應(yīng)力下,

(4)

對(duì)式(2)～(4)兩邊取對(duì)數(shù),得:

(5)

(6)

(7)

對(duì)式(1)兩邊取自然對(duì)數(shù),并假設(shè)熱變形激活能與溫度無關(guān),可得:

(8)

圖2 試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的偏差較小,說明本模型適用于試驗(yàn)鋼。

對(duì)比不同變形溫度、應(yīng)變速率下試驗(yàn)材料試驗(yàn)測(cè)得的峰值應(yīng)力與計(jì)算值,并計(jì)算Z值與試驗(yàn)測(cè)得的ln[sinh(ασ)]線性相關(guān)度如圖3所示。可以看出,試驗(yàn)測(cè)得的峰值應(yīng)力與計(jì)算值吻合較好,線性相關(guān)系數(shù)R=0.9884,說明該模型能夠較好的預(yù)測(cè)試驗(yàn)材料在熱變形過程中不同應(yīng)力不同溫度下的峰值應(yīng)力值,可以指導(dǎo)生產(chǎn)中計(jì)算熱加工過程中的最大載荷。

圖3 峰值應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)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(shù),盡可能避免在加工過程中產(chǎn)生缺陷等,常常利用動(dòng)態(tài)材料熱加工圖來為生產(chǎn)做指導(dǎo)。在熱變形過程中,材料單位體積內(nèi)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(dá):

(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(zhuǎn)變,而應(yīng)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(shù):

(12)

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

(13)

式中:η是一個(gè)關(guān)于變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)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(guān)系。當(dāng)金屬材料在熱變形過程中,其熱加工圖中安全區(qū)內(nèi)η的數(shù)值越大,表明外界對(duì)材料做的總功將更多地消耗在變形過程中材料的動(dòng)態(tài)回復(fù)及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶方面,因此材料的熱加工性能也越好。

根據(jù)不同變形條件下的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值和功率耗散因子η繪制流變失穩(wěn)判據(jù)的等值輪廓曲線,得到試驗(yàn)材料在變形量為50%時(shí)功率耗散圖和失穩(wěn)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(wěn)區(qū),可以看出,在低溫高應(yīng)變速率(900～1000 ℃,0.1～1 s-1)及高溫高應(yīng)變(1100～1200 ℃,0.1～1 s-1)條件下存在失穩(wěn)區(qū)該區(qū)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(yīng)變速率(900～1000 ℃,0.01～0.1 s-1)及中高溫低應(yīng)變速率(1050～1200 ℃,0.01～0.1 s-1)區(qū)域內(nèi),η值均較高,說明在這兩個(gè)工藝區(qū)間內(nèi),試驗(yàn)鋼均具有較好的熱加工性能。

圖4 試驗(yàn)鋼在變形量50%時(shí)的熱加工圖(a)功率耗散圖;(b)失穩(wěn)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(yīng)變速率(900～1000 ℃,0.01～0.1 s-1)和中高溫低應(yīng)變速率(1050～1200 ℃,0.01～0.1 s-1)兩個(gè)區(qū)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(jié)果如圖5所示。結(jié)合其流變應(yīng)力曲線(見圖1)可知,當(dāng)熱變形溫度較低,即使變形速率緩慢時(shí),材料內(nèi)部也僅發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),外界提供的熱能不足以使材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,變形后試驗(yàn)鋼組織呈現(xiàn)典型的熱變形扁長狀晶粒,且由于變形溫度低,材料內(nèi)部的合金碳化物未能溶解,并沿變形方向呈帶狀分布。而當(dāng)變形溫度較高時(shí),材料內(nèi)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(nèi)部原子激活能高,能夠在基體內(nèi)能量較高的位置形核生成新的晶粒,呈現(xiàn)典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織,晶粒呈等軸狀且晶粒尺寸細(xì)小均勻。因此可以確定材料最佳的熱加工工藝參數(shù)范圍為中高溫低應(yīng)變速率,即變形溫度1050～1200 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1。在此熱變形條件下,試驗(yàn)鋼不僅具有優(yōu)良的熱加工性能,且能夠得到組織均勻晶粒細(xì)小的完全動(dòng)態(tài)再結(jié)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(jié)論

1) 試驗(yàn)鋼熱變形工藝為900～1000 ℃、0.01～0.05 s-1時(shí),流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)特征,1050～1200 ℃、0.01～0.1 s-1時(shí),材料在變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。應(yīng)變速率較高時(shí),應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃?曲線一直保持上升的趨勢(shì)。材料流變應(yīng)力受變形溫度及速率共同影響,變形溫度升高流變應(yīng)力逐漸降低,變形速率越大流變應(yīng)力值越高。

2) 建立了低碳高合金軸承鋼的熱變形本構(gòu)方程:

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