超高強(qiáng)高韌馬氏體時(shí)效鋼熱變形及航天應(yīng)用研究

李 輝，鹿啟棟，張大偉，黃順喆

(1. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600； 2. 鋼鐵研究總院，北京 100044)

馬氏體時(shí)效鋼自20世紀(jì)60年代由國際鎳公司開發(fā)后，一直是各國材料學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。蘇聯(lián)和德國于20世紀(jì)60年代同步開展相關(guān)研究；日本于20世紀(jì)70年代開始對(duì)其進(jìn)行深入研究；我國于20世紀(jì)60年代后期開始研制，最初以仿制18Ni系馬氏體時(shí)效鋼為主，到了20世紀(jì)70年代中期開始研究更高級(jí)別的鋼種及無鈷(Co)或節(jié)Co馬氏體時(shí)效鋼，陸續(xù)開發(fā)了高彈性馬氏體時(shí)效鋼和馬氏體時(shí)效不銹鋼等品種[2]。

馬氏體時(shí)效鋼的基體為Fe-Ni馬氏體，可通過調(diào)整鋼中Co，Mo，Ti含量得到屈服強(qiáng)度分別為1 400 MPa(C200)，1 700 MPa(C250)，1 900 MPa(C300)的18Ni系馬氏體時(shí)效鋼[1-3]。后期研究者們還探索研究了屈服強(qiáng)度達(dá)2 400 MPa(C350)，2 800 MPa(C400)，3 500 MPa(C500)的馬氏體時(shí)效鋼，不過后2個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的鋼由于韌性太低，生產(chǎn)工藝過于復(fù)雜而沒有得到實(shí)際應(yīng)用。18Ni系馬氏體時(shí)效鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、熱處理簡單、焊接性能好、冷熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，已在航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、導(dǎo)彈殼體、導(dǎo)彈陀螺儀表內(nèi)外撓性接頭、直升飛機(jī)起落架、高壓容器、扭力轉(zhuǎn)動(dòng)軸、飛機(jī)用高強(qiáng)度齒輪、軸承、緊固件、彈簧，以及鋁合金擠壓模和壓件模、精密模具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

美國“土星”助推器、日本M5、印度SLV-5，以及PSLV等航天發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料均采用18Ni馬氏體時(shí)效鋼。目前航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的馬氏體時(shí)效鋼主要為C200，C250兩種強(qiáng)度等級(jí)，然而隨著航天火箭技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料也面臨著強(qiáng)度等級(jí)低、強(qiáng)韌性匹配亟待提高的問題?？估瓘?qiáng)度≥2 000 MPa、屈服強(qiáng)度≥1 900 MPa、斷裂韌性≥70 MPa·m1/2的C300馬氏體時(shí)效鋼隨之成為航天發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料工程應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

國內(nèi)外對(duì)18Ni系列馬氏體時(shí)效鋼的時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理、晶粒長大動(dòng)力學(xué)、循環(huán)相變特性、疲勞破壞特性、磁滯性能、焊接性能等方面的研究較為深入[5-9]。近年來，在晶粒超細(xì)化工藝[5]、無Co/節(jié)Co馬氏體時(shí)效鋼開發(fā)[7]、高純凈冶金工藝、更高強(qiáng)度等級(jí)馬氏體時(shí)效鋼的工程化應(yīng)用研究[9]取得了不小進(jìn)展。但針對(duì)屈服強(qiáng)度為1 900 MPa的C300馬氏體時(shí)效鋼的加工性能研究及工程應(yīng)用還鮮見報(bào)道，為了推動(dòng)我國航天用超高強(qiáng)高韌C300馬氏體時(shí)效鋼的應(yīng)用，本文選取C300鋼的熱變形加工性能作為研究內(nèi)容，深入研究高純凈18Ni系馬氏體時(shí)效鋼C300的高溫?zé)嶙冃涡袨?，提出C300鋼的最佳熱加工窗口，為C300鋼的工業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用馬氏體時(shí)效鋼(后簡稱C300鋼)采用雙真空工藝冶煉，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為： 18.57Ni，4.79Mo，8.99Co，0.68Ti，0.11Al，66.86Fe。鋼錠經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散退火后，鍛造成材，將試樣加工成尺寸為φ10 mm×15 mm的圓柱形壓縮試樣后，在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 熱壓縮試樣的安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation ofthermal compression specimens

圖2 熱變形試驗(yàn)工藝曲線Fig.2 Thermal deformation test process curve

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫流變曲線及變形組織

綜上可知，在高溫變形過程中，試驗(yàn)鋼的流變應(yīng)力隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增大而提高。在同等的應(yīng)變速率下，變形溫度越高，試驗(yàn)鋼中位錯(cuò)活性提高、滑移系增多，大大降低晶界切變抗力，晶界滑移量增大，試樣的軟化速率加快，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)變也隨著變形溫度的升高而逐漸減??；在同等的變形溫度下，加工硬化率隨著應(yīng)變速率增加而提高，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力也隨之提高[10]。在熱變形過程中，試驗(yàn)鋼獲得等軸、細(xì)小的再結(jié)晶晶粒的最佳變形溫度范圍為1 050～1 150 ℃。

圖3 試驗(yàn)用C300鋼在不同應(yīng)變速率下的高溫流變曲線Fig.3 High temperature rheological curves of C300 steel used for test under different deformation conditions

圖4 變形溫度T=1 050 ℃時(shí)，不同應(yīng)變速率下的試驗(yàn)鋼的金相組織Fig.4 Metallographic structures of test steel at different strain rates when deformation temperature is 1 050 ℃

圖5 變形溫度T=1 150 ℃時(shí), 不同應(yīng)變速率下的試驗(yàn)鋼的金相組織Fig.5 Metallographic structures of test steel at different strain rates when deformation temperature is 1 150 ℃

2.2 熱變形方程

材料強(qiáng)度的提高會(huì)降低塑性和韌性，而細(xì)晶強(qiáng)化是唯一可以在提高強(qiáng)度的同時(shí)還能保持較高韌性的有效手段。利用熱變形過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，或隨后的靜態(tài)再結(jié)晶均能使材料晶粒得到有效的細(xì)化[11-13]。此外，熱變形還是一種重要的成型手段，不僅可以使材料的利用率和生產(chǎn)效率提高、能耗降低，而且還可以控制材料的微觀組織和性能，獲得組織均勻和性能穩(wěn)定的工件[14-15]。超高強(qiáng)高韌C300鋼由于合金程度高，高溫變形抗力、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等熱變形行為發(fā)生了很大改變，要保證材料在熱加工后獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)及良好的綜合性能，就要解決高溫變形過程中最佳工藝參數(shù)問題。

(1)

圖6 峰值應(yīng)力與變形溫度關(guān)系Fig.6 Relation between peak stress and strain rate

式中：σ為峰值應(yīng)力σp，或穩(wěn)定狀態(tài)流變應(yīng)力σs，或相應(yīng)于某指定應(yīng)變量之流變應(yīng)力，本文中σ=σp；R為氣體常數(shù)；Q為控制軟化過程的激活能；A，n，α為相關(guān)常數(shù)。

在低應(yīng)力時(shí)，式(1)可簡化為

(2)

在高應(yīng)力時(shí)，式(1)可簡化為

(3)

其中，常數(shù)α，β及n′之間滿足α=β/n′。對(duì)式(2)和式(3)兩邊分別取對(duì)數(shù)并整理可得

(4)

(5)

對(duì)式(1)兩邊取自然對(duì)數(shù)，可得

(6)

當(dāng)變形溫度恒定時(shí)，式(6)兩邊對(duì)應(yīng)變速率求偏導(dǎo)，得

(7)

當(dāng)變形速率恒定時(shí)，式(6)兩邊對(duì)1/T求偏導(dǎo)，得

(8)

圖7 峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和變形溫度的關(guān)系Fig.7 Relationships between peak stress and strain rate and between peak stress and deformation temperature

根據(jù)圖3中的高溫流變曲線數(shù)據(jù)，峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和變形溫度之間的關(guān)系曲線如圖7所示。

通過線性回歸，可得：n=6.552；Q=391.2 kJ/mol；A=5.377 5×1014。將上述結(jié)果代入式(1)中，可建立C300馬氏體時(shí)效鋼的熱變形方程為

(9)

變形溫度及應(yīng)變速率對(duì)熱變形過程的綜合作用通常用Z參數(shù)(Zener-Hollomom因子)來表征。在熱變形過程中有[18-19]

(10)

通過已求得的熱變形激活能Q，便可以計(jì)算得到不同變形條件下試驗(yàn)鋼的Z參數(shù)。可以看出，隨著Z值的增加，試驗(yàn)鋼熱變形過程中的峰值應(yīng)力相應(yīng)增加，且lnZ與ln(sinh(ασp))呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.97，如圖8所示。

圖8 ln(sinh(ασp))與ln Z關(guān)系Fig.8 Relationship between ln(sinh(ασp)) and ln Z

3 結(jié)論

晶粒細(xì)化是一種同時(shí)提高18Ni系馬氏體時(shí)效鋼強(qiáng)度和塑性的有效手段，對(duì)于航天用超高強(qiáng)高韌C300馬氏體時(shí)效鋼來說，熱加工過程獲得等軸細(xì)小的再結(jié)晶晶粒是實(shí)現(xiàn)該鋼強(qiáng)韌性最佳匹配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，后續(xù)將進(jìn)一步探索C300鋼晶粒超細(xì)化工藝、低成本無鈷超高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼以及強(qiáng)韌化機(jī)理。