30Cr2Ni4MoV鋼的動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制分析

曹志遠(yuǎn) 季 雪 程幸葉 牛廣斌

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

30Cr2Ni4MoV材料一般應(yīng)用于火力發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、核電機(jī)組的低壓和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件。研究其動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制包括動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)理對(duì)制訂大型自由鍛件的制造工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制分為動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶兩種機(jī)制。為了更好的了解這兩種動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制在30Cr2Ni4MoV材料中高溫塑性變形中的表現(xiàn)形式我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案：

1.1 30Cr2Ni4MoV材料的高溫塑性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

采用?10 mm×15 mm試樣，應(yīng)變速率分別為1 s-1、0.1 s-1、0.01 s-1，溫度范圍為850～1 200℃，真實(shí)應(yīng)變?yōu)?.2，在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上每間隔50℃做高溫壓縮實(shí)驗(yàn)。

獲得30Cr2Ni4MoV材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1～圖3。

1.2 不同變形量下的30Cr2Ni4MoV材料的高溫壓縮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

采用?10 mm×15 mm試樣，按接近水壓機(jī)實(shí)際的應(yīng)變速率0.01 s-1、溫度1 200℃和不同的壓下量在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上做高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，每個(gè)試樣變形后立即水冷保留高溫形變下的原始晶粒。實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4～圖11。

圖1 流變曲線(1 s-1)Figure 1 The stress-strain curve (1 s-1)

圖2 流變曲線(0.1 s-1)Figure 2 The stress-strain curve (0.1 s-1)

圖3 流變曲線(0.01 s-1)Figure 3 The stress-strain curve (0.01 s-1)

表1 不同變形量下高溫壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 The experiment parameter of high temperature compression with different reduction

圖4 A1流變曲線Figure 4 The A1 stress-strain curve

圖5 A2流變曲線Figure 5 The A2 stress-strain curve

圖6 A3 流變曲線Figure 6 The A3 stress-strain curve

圖7 A4流變曲線Figure 7 The A4 stress-strain curve

圖8 A1晶粒照片F(xiàn)igure 8 The A1 metallograph

圖9 A2晶粒照片F(xiàn)igure 9 The A2 metallograph

圖10 A3晶粒照片F(xiàn)igure 10 The A3 metallograph

圖11 A4晶粒照片F(xiàn)igure 11 The A4 metallograph

1.3 模擬工程情況下的高溫壓縮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

采用?10 mm×20 mm試樣，在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上做模擬工程情況下的高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，每個(gè)試樣變形后立即水冷保留高溫形變下的原始晶粒。實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12～18。

表2 模擬工程情況下高溫壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 The experiment parameter of high temperature compression under analog enginering condition

圖12 試樣M1的流變曲線Figure 12 The M1 stress-strain curve

圖13 試樣M2的流變曲線Figure 13 The M2 stress-strain curve

圖14 試樣M3的流變曲線Figure 14 The M1 stress-strain curve

圖15 試樣M1的晶粒照片F(xiàn)igure 15 The M1 metallograph

圖16 試樣M2的晶粒照片F(xiàn)igure 16 The M2 metallograph

圖17 試樣M3的晶粒照片F(xiàn)igure 17 The M3 metallograph

圖18 試樣M4的晶粒照片F(xiàn)igure 18 The M4 metallograph

2 動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制的分析

水壓機(jī)鍛造的大型鍛件的應(yīng)變速率一般接近于0.01 s-1，鍛件心部高溫塑性變形溫度范圍為1 100～1 200℃，一般來(lái)說(shuō)判斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開(kāi)始的臨界應(yīng)變?chǔ)與和峰值應(yīng)變?chǔ)舙之間的關(guān)系為：εc=0.8εp。從圖3所示的30Cr2Ni4MoV材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出不同溫度下的εc、εp，換算成的工程應(yīng)變見(jiàn)表3。

表3 不同溫度下的臨界應(yīng)變?chǔ)與和峰值應(yīng)變?chǔ)舙Table 3 The critical strain εc and peak strain εp under different temperature

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上來(lái)看，在30Cr2Ni4MoV材料進(jìn)行高溫塑性變形過(guò)程中，從變形一開(kāi)始就不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)回復(fù)，緩慢的動(dòng)態(tài)回復(fù)在ε<εc前提供了一個(gè)額外的軟化過(guò)程。從應(yīng)力遞增的趨勢(shì)我們可以得出此階段主要還是加工硬化占據(jù)主導(dǎo)地位，圖17的晶粒照片表明5%的變形條件下尚未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；當(dāng)εc<ε<εp時(shí)，由于緩慢的動(dòng)態(tài)回復(fù)為變形中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供了足夠的驅(qū)動(dòng)力，在變形量達(dá)到臨界應(yīng)變?chǔ)與時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開(kāi)始成核。在達(dá)到流變曲線峰值應(yīng)力之前會(huì)同時(shí)存在動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶兩種軟化機(jī)制，在硬化和軟化的平衡關(guān)系中仍以加工硬化為主，圖8的晶粒照片表明10%的變形條件下有局部晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；當(dāng)εp<ε<εs(穩(wěn)態(tài)應(yīng)變)時(shí)會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)軟化與硬化趨于平衡，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上解讀為震蕩的多峰曲線。圖18的晶粒照片表明在15%的變形量下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒和動(dòng)態(tài)回復(fù)晶粒同時(shí)存在；當(dāng)ε>εs時(shí)動(dòng)態(tài)軟化為完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，當(dāng)再結(jié)晶晶粒均勻化后與加工硬化趨于平衡表現(xiàn)出平滑直線。圖9、10、11的晶粒圖片顯示20%、30%、40%的變形下晶粒尺寸相當(dāng)均勻細(xì)小，均以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形式存在，同時(shí)也說(shuō)明了30Cr2Ni4MoV材料在20%的應(yīng)變下可獲得完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。

變形過(guò)程中對(duì)鋼的軟化起作用的是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)。變形停頓期間對(duì)鋼起軟化作用的是亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)回復(fù)，對(duì)鋼起硬化作用的是高溫下晶粒長(zhǎng)大和溫度的下降。為了更好的研究水壓機(jī)自由鍛造過(guò)程中多道次變形過(guò)程中軟化機(jī)制的復(fù)雜規(guī)律，根據(jù)我們所獲得的Ni4材料的流變曲線我們制定了模擬方案3。M1中的ε工程應(yīng)變=0.2>εp所得的流變曲線顯示每道次的變形均經(jīng)歷了由動(dòng)態(tài)回復(fù)→動(dòng)態(tài)回復(fù)+動(dòng)態(tài)再結(jié)晶→動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過(guò)程，每道次發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的峰值應(yīng)變?chǔ)舙相同而峰值應(yīng)力隨道次變化明顯減小，這主要是因?yàn)榇笞冃沃袏W氏體已經(jīng)完全發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再次變形時(shí)軟化和硬化重新相互作用，峰值應(yīng)力因前道次動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生而逐漸減小；M2和M3中的ε工程應(yīng)變分別為10%和5%，每道次的變形只經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)回復(fù)階段，再次變形時(shí)軟化和硬化重新相互作用，峰值應(yīng)力因前道次動(dòng)態(tài)回復(fù)作用隨壓下道次有逐漸減小的趨勢(shì)；從實(shí)驗(yàn)所得的晶粒圖片上看圖18的照片晶粒尺寸差較大，晶粒尺寸最不均勻。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)30Cr2Ni4MoV材料的動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制的試驗(yàn)分析可以得出以下結(jié)論：

(1)30Cr2Ni4MoV材料在溫度區(qū)間為1 100～1 200℃，應(yīng)變速率接近0.01 s-1的前提下要保證整個(gè)截面均勻的獲得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，其等效應(yīng)變?chǔ)艖?yīng)在0.2以上；

(2)30Cr2Ni4MoV材料在水壓機(jī)自由鍛造過(guò)程中ε<εc時(shí)所獲得的驅(qū)動(dòng)力不足以令該材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在應(yīng)變速率、溫度不變的前提下，單道次變形量是其獲得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的唯一參數(shù)，即便多道次、多工步累加的變形量ε累加>εc也不能獲得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒；

(3)30Cr2Ni4MoV材料在水壓機(jī)多道次的自由鍛造過(guò)程中ε>εc時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在Ni4材料中明顯的降低了流動(dòng)應(yīng)力，減小了材料抗力；

(4)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡力避免εp<ε<εs(穩(wěn)態(tài)應(yīng)變)的變形區(qū)間，此區(qū)間易造成30Cr2Ni4MoV材料的熱變形晶粒尺寸不均，造成混晶。

[1] 何宜柱，雷廷權(quán).熱變形動(dòng)態(tài)軟化本構(gòu)模型. 鋼鐵.1999，34(9).

[2] 潘金生，健民仝，田民波.材料科學(xué)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社.1998.