0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图.pdf

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0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图1 0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图2 0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图3 0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图4 0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图5 0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图6 0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图7

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第44卷第5期—2016年5月第814页材料工程JournalofMaterialsEngineeringVo1.44No.5—May2016PP.8140Crl6Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图HotDeformationBehaviorandProcessingMapof0Crl6Ni5MoLOWCarbonMartensiticStainlessStee1袁武华,龚雪辉,孙永庆。,梁剑雄。(1湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082;2钢铁研究总院特殊钢研究所,北京100081)——’——YUANWuhua,GONGXuehui。,SUNYongqing,IIANGJianxiong(1CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China;2InstituteforSpecialSteel,CentralIronandSteelResearchInstitute,Beiing100081,China)摘要:在Gleeble3800热模拟试验机上进行高温压缩实验,研究0Crl6Ni5Mo低碳马氏体不锈钢在变形温度为900~1150 ̄C、应变速率为0.01~10s条件下的热变形行为。采用双曲正弦模型确定了该材料的热变形参数随应变量的变化规律,建立了相应的热变形本构方程。根据动态材料模型建立并分析了其热加工图,同时观察了变形组织。结果表明:在热压缩过程中,流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的升高而增加,变形条件对材料的组织结构有较大影响。材料热变形参数与应变量之间可采用四次函数关系式表示,并且具有很好的相关性。获得了该材料的最佳热变形工℃艺参数范围为:变形温度980~l150,应变速率0.0lt0.2s。关键词:0Crl6Ni5Mo马氏体不锈钢;流变应力;本构模型;动态再结晶;热加工图doi:10.11868/j.issn.100l一4381.2016.05.002中图分类号:TG142.71文献标识码:A——文章编号:lo0卜4381(2Ol6)05000807Abstract:Thehotdeformationbehaviorof0Crl6Ni5MolOWcarbonmartensiticstainlesssteelwas—studiedbytheisothermalcompressionofcylindricalspecimensat9001150 ̄Cwiththestrainrateof0.01-10SonaGleeble一3800simulatedmachine.Therelationsofthethermomechanicalparameters————withstrainwereobtainedusingthehyperbolicsinemathematicsmodelandthehotdeformationconsti—tutiverelationshipwasestablished.Processingmapwasalsoestablishedbasedonthedynamicmaterialsmode1.Themicrostructureevolutionatdifferentconditionswasanalyzed.Theresultsshowthattheflowstressdecreaseswiththeincreaseofdeformationtemperatureandincreaseswiththeincrease—ofstrainrate。thedeformationconditionhasagreatinfluenceonthematerialmicrostructure.Therelation—shipbetweendeformationparametersandstrainhaveagoodrelativity,whichcanbeexpressedusingfourpolynomia[fitting.Anoptimumprocessingparametersofhotdeformationforthissteelcanalsobeobtainedby—℃—themaps。inwhichthehottemperatureiS9801150andthestrainrateiS0.010.2s.Keywords:0Crl6NiSMomartensiticstainlesssteel;flowstress;constitutivemodel;dynamicrecrystallization;processingmap低碳马氏体不锈钢是在传统马氏体不锈钢的基础上通过减少碳、添加镍和钼来提高其综合性能的新型不锈钢【。0Crl6Ni5Mo不锈钢属于此类低碳马氏体不锈钢,因其具有良好的综合力学性能以及耐冲蚀、耐腐蚀性能,在水轮机组件、石油输送管线和航空航天等领域得到了广泛的应用。由于该钢中含有较高的铬含量,因此其组织中常含有一定量的一铁素体]。在高温锻造时该钢为奥氏体铁素体的两相组织,如果锻造不当,极易在两相界面上出现微裂纹,造成锻件开裂,因此研究0Crl6Ni5Mo不锈钢的热加工性能可为实际生产提供重要依据,而目前对该钢的热变形行为及热加工图的研究报道较少。同时,当前在建立合金的变形本构关系时大多是以峰值应力或者稳态应力为基础建立的,并未考虑塑性应变量的影响L4J。事实上,由此建立的模型在描述流变应力随应变的变化特征时有一定的局限性,这是因为累积塑性应变也是决第44卷第5期0Crl6NiSMo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图9定材料显微组织演变的主要参数。一些研究者的研究表明。。采用考虑应变量相关的双曲正弦模型能更好地反映合金在热变形过程中流变应力的变化规律。基于此,本工作在Gleeble一3800热模拟试验机上进行单道次热压缩实验,研究变形温度和变形速率对0Crl6Ni5Mo低碳马氏体不锈钢流变应力的影响,计算了不同应变量下的热变形参数,并建立了相应的本构模型,同时根据动态材料模型建立热加工图。1实验材料与方法实验材料为0Crl6Ni5Mo低碳马氏体不锈钢,采℃用真空感应+电渣重熔冶炼,铸锭在1150开坯锻造成 ̄100mm的圆棒。材料的化学成分(质量分数/)为:C0.040,Cr15.75,Ni5.19,Mo0.66,Si0.30,Mn0.77,P0.0064,S0.009,其余为Fe。为使初始晶粒大℃小均匀,首先将棒材进行1100/lh固溶处理,然后从固溶后棒材上取样,试样尺寸为巾8mm×12mm,在Gleeble一3800热模拟试验机上进行压缩实验。图1为试样固溶处理后的晶粒形貌。进行热压缩实验时,先℃以20/s的升温速率将试样加热到预定变形温度后,保温3min,使试样温度均匀,再进行等温压缩变形,变形结束后立即水冷,以保留试样的高温变形组织。用线切割机将变形后的试样沿轴向切开,经研磨、抛光后采用KMnO+HSO+H。O腐蚀显示其奥氏体晶c口c,)09图1试样固溶热处理后显微组织粒。实验变形温度分别为900,950,1000,1050,1100,1150 ̄C,应变速率分别为0.01,0.1,1,10s,总压下量为60(真应变为0.9)。2实验结果与分析2.1真应力一应变曲线分析图2为0Crl6Ni5Mo马氏体不锈钢在不同变形条件下的真应力一应变曲线。由图2可知,变形条件对0Crl6Ni5Mo马氏体不锈钢的流变应力的影响较大:在同一应变速率时,随着变形温度的升高,材料的流变应力下降;在同一变形温度下,流变应力随着应变速率的增大而增加。当变形速率和变形温度固定的条件下,在压缩初期,流变应力随着应变的增大而迅速增图20Crl6Ni5Mo马氏体不锈钢应力一应变曲线(a):0.01S;(b)一0.1S1;(c)÷=1S1;(d)i一10s一1—Fig.2Stressstraincurvesof0Crl6Ni5Momartensiticstainlesssteel(a)一0.01s一;(b)一o.1s;(c)a-ls;(d)一10s1∞日苫/saJls10材料工程2016年5月加,此时为加工硬化阶段;随后出现两种情况,一种是应变速率较小(O.O1S~)时,流变应力到达峰值后下降或者逐渐趋于稳定,此时表现为动态再结晶;另一种是应变速率较大(>o.01S)时,流变应力随应变的增加趋势放缓,达到一定值后,随着应变的继续增加,流变应力变化不大,没有明显的峰值应力,这种情况单从应力一应变曲线上很难判断是发生了动态回复还是动态再结晶,需要借助微观组织的观察来进一步确定其状态。2.2流变应力模型的建立金属材料在热变形过程中,主要受材料的化学成分、变形温度、应变速率和变形量等条件的影响。—当材料的化学成分不变时,ZenerHollomonon参数(Z参数)概括了变形温度T和应变速率之间的关系,可表示为:”Z===cexp(Q/RT)一A【sinh(aa)【(1)式中:为应变速率;Q为热变形激活能;R为摩尔气体常数,其值为8.314J/(tool・K);T为绝对温度,K]。在真应力一应变曲线中,和的关系可用以下函数表示:n” ̄=AEsinh(aa)]・(一)(2)』、』式中:A为常数;为曲线的峰值应力或者流变应力;a为应力因子;为与应变速率敏感性相关的指数。在低应力(aa%0.8)时,式(2)可简化为一AGnl(3)在高应力(a>1.2)时,式(2)可简化为e=A2exp(胁)(4)”其中a,,为常数,且满足—afl/(5)由图2可知,应变量对该材料在较高变形速率时的流变应力有较大的影响,但式(2)中并未考虑到应变量的影响,因此建立与应变量相关的本构关系,对于更准确地预测材料的流变应力具有重要的意义。本”工作假定材料热变形参数A,a,和Q等均与应变量有关,根据式(2)双曲正弦函数模型来建立0Crl6Ni5Mo不锈钢在不同应变量下的本构关系。依次在OCrl6Ni5Mo不锈钢的真应力真应变曲线上选取£一0.1~0.9(每隔0.1取一数值)时对应的流变应力,然后求各个应变量下材料的热变形参数,最后对各个参数进行拟合得到与应变量相关的多项式函数。以应变量e一0.4时为例,求在此应变量下材料的热变形参数,其他应变量下的热变形参数均按此方法计算。找出变形量为0.4时对应的流变应力,对方程(3),(4)两边取对数,然后进行线性拟合可得到JG和/-/的值分别为0.0597和8.53,根据公式(5)可求得a为0.007。对式(2)两边同时取对数,并分别对InS和1/T求偏导,可得一1一.alnsin.(aap)],厂(6)LdlneJQ—ralnsin(aap)].,n——RL¨分别绘制ln[sinh(口)]1,ln[sinh(0=d)]一1/T曲线,如图3(a),(b)所示。通过线性拟合可得0Crl6Ni5Mo不锈钢的热变形激活能Q一426.324kJ/tool,应力指数一6.342。——将以上求得的数值带入公式(1),则ZenerHollomon参数为:Z= ̄exp(Q/Rr厂) ̄eexp(426324/R丁)(8)根据Z=A[sinh(aa)]对其两边取对数,则有lnZ=lnA+nln ̄sinh(aa)](9)—根据公式(9)作lnZIn[sinh(aa)]之问的关系fHj线,如图4所示,可以看出,实验值基本落在回归直线的附近,线性相关系数为0.982。通过确定回归直线的截距即可确定式(9)中的lnA=36.64。因此可知应变量在0.4时材料的热变形参数为:a一0.007,":6.342,Q一426.324ld/mol,lnA一36.64。其他应变量下的热变形参数均按上述方法计算。图30Crl6NiSMo不锈钢峰值应力与变形速率(a)和变形温度(b)的关系(£一0.4)Fig.3Relationshipbetweenpeakstressanddeformationtemperature(a)andstrainrate(b)at£一0.4for0Crl6NiSMostainlessstee第44卷第5期OCrl6Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图1148464442N40—3836343230图4OCrl6Ni5Mo不锈钢峰值应力与z参数的关系(e一0.4)Fig.4Relationshipbetweenln ̄sinh(aa)]andlnZ(£一0.4)图5为OCrl6Ni5Mo不锈钢的热变形参数a,,Q和lnA随应变量的变化关系。由图(5)可知,其变形参数均随着应变量的增大而发生变化,这主要是因为随着变形的不断深入,其动态再结晶程度不断加大而使晶粒细化。以热激活能Q的变化为例,应变量从0.1增大至0.7时,热激活能降低,这主要是由于在变形初期,大多滑移系和晶粒并未开动,因而此时材料的热变ca乏形激活能Q相对较高,但是随着应变量的增大,使更多的滑移系被激活启动,导致激活能Q开始随之下降;而当应变量高于0.7后,其热激活能随应变量的增加略有上升,这是由于材料在应变量进一步增大后,动态再结晶作用逐渐增大,晶内大量的位错消失,晶粒也不断细化,导致变形激活能也开始随变形量的增大而略有增加。根据计算值的变化趋势用Origin软件拟合材料的热变形参数a,,Q和lnA随应变量变化的函数关系,可得函数关系式(10)~(13),可以看出,各拟合曲线均与实验数据的计算值吻合较好。a一0.011ls一0.0347s。+0.036%。一0.0163s+0.00957(10)”===26.64e一59.33e。+53.81£。一25.39e+11.01(11)Q一2563.72e一5793.32£。+5059.49e。一2160.19£+785.86(12)lnA一一103.47e+211.67£。一96.88e。一3】.]6£+54.]4(]3)C图50Crl6Ni5Mo不锈钢材料参数与应变量之间的变化关系(a)£;(b)£;(c)QE;(d)lnA一£Fig.5RelationsbetweenmaterialparametersandstrainforOCrl6Ni5Mostainlesssteel(a)£;(b)£;(c)Q-s;(d)lrh4一e将式(10),(11),(12),(13)代人式(2)可得新的本构方程式:一A(£)h((e)).-Q(s)](14)经过优化的本构方程式(14)更好地反映了应变量对本构关系的影响,同时在实际生产中也具有更重要的意义。2.30Crl6Ni5Mo不锈钢热加工图的建立热加工图的建立主要基于动态材料模型,其理论基础是大塑性连续介质力学、物理系统模型、不可逆热力学等基本原理l_】,可以用来优化材料加工工艺参数,对热变形时微观组织的控制具有较好的指导作用,在实际生产中已经得到广泛的应用口。Prasad等l1。介绍了热加工图建立的理论依据和方法,认为∞褐犏l4材料工程2016年5月本构关系模型,计算结果表明材料热变形参数与应变量之间可采用四次函数关系式表示,并且具有很好的相关性。(3)通过热加工图分析可知,0Crl6Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的最佳热变形工艺参数范围:变形温度℃为980~115O,应变速率为0.01~O.2s。参考文献[1]QINB,WANGzY,SUNQS.Effectoftemperingtemperature—onpropertiesof00Crl6Ni5Mostainlesssteel[J].MaterialsCharacterization,2008,59(8):10961]OO.[2]MAXP,WANGIJ,QINB,eta1.EffectofNonmicrostruc—tureandmechanicalpropertiesof16Cr5NilMomartensiticstain—lesssteelEJ].MaterialsandDesign,2012,34:7481.E3]DAWOODMA,MAHAIIAWIISE,AZIMMEA,eta1.—Thermalagingof16Cr一5Ni1Mostainlesssteel:part1-microstructuralanalysis[J].MaterialsScienceandTechnology,2004,—20(3):363369.—I一4]wANGZH,FUWT,WANGBZ,eta1.Studyonhotdeformationcharacteristicsof12Crultrasuper-criticalrotorsteelusingprocessingmapsandZener-Hollomonparameter[J].Materials—Characterization,2010,61(1):2530.[5]俞秋景,张伟红,于连旭,等.铸态Inconel625合金热加工图的Ⅲ—建立及热变形机制分析J].材料工程,2014,(1):3034.———YUQiujing,ZHANGWeihong,YULianxu,eta1.Developmentofthermalprocessingmapandanalysisofhotdeformation—mechanismofcastalloyInconel625口].JournalofMaterialsEn—gineering,2014,(1):3034.[6]熊毅,熊良银,张凌峰,等.GH4199合金的热变形行为与微观组—织演变[J].中国有色金属学报,2O10,20(4):655661.—XI()NGYi,XIONGIiangyin,ZHANGLingfeng,eta1.HotdeformationbehaviorandmicrostructureevolutionofsuperalloyGH4199[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2010,20(4):65566I.[7]张威,闫东娜,邹德宁,等.超低碳13Cr一5Ni2Mo马氏体不锈钢热—变形行为及本构关系[J].钢铁,2012,47(5):6974.—ZHANGWei,YANDongna,Z0UDening,eta1.Hotdeforma————tionbehaviorandconstitutiverelationshipforsuperlow13Cr5Ni2MomartensiticstainlesssteelEJ].IronandSteel,2012,47(5):6974.E87吴凯,刘国权,胡本芙,等.新型镍基粉末高温合金的高温变形行为[J].航空材料学报,2010,30(4):l一7.—WUKai,IIUGuoquan。HUBenfu,eta1.Researchonhigh————temperaturedeformationbehaviorofnewtypenickelbasedP/Msu—peralloy[J].JournalofAeronauticalMaterials,2010,30(4):17.[9]孙朝阳,刘金榕,李瑞,等.Incoloy800H高温变形流动应力预测模型[J].金属学报,2O11,47(2):191196.———SUNChaoyang,IIUJinrong.IIRui,eta1.ConstitutivemodclingforelevatedtemperatureflowbehaviorofIncoloy800Hsuperalloy[J].ActaMetallurgicaSinica,2011,47(2):191l96.[1()]王智祥,刘雪峰,谢建新.AZ91镁合金高温变形本构关系EJ].金—属学报,2008,44(11):13781383.[12][13][14][15][16][17][18][19]—WANGZhixiang,LIUXuefeng,XIEJianxin.Constitutive—relationshipofhotdeformationofAZ91magnesiumalloyEJ 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