300M鋼單肋模鍛件典型部位組織與力學(xué)性能

張海成 楊 歡 羅恒軍 曾德濤 劉鑫剛 谷大鵬

(1．中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川618013；2．燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北066004)

近年來(lái)，隨著飛機(jī)、輪船和汽車(chē)等向小型化、減重和節(jié)約成本的方向發(fā)展，飛機(jī)或者船體構(gòu)件通常設(shè)計(jì)為薄腹板或者高筋類(lèi)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代飛機(jī)的高速高機(jī)動(dòng)性能對(duì)薄腹筋板類(lèi)構(gòu)件的各項(xiàng)指標(biāo)如重量、承載力、抗彎性能、空間占用率等要求極高，薄腹筋板類(lèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成形加工至關(guān)重要[1-2]。現(xiàn)階段塑性成形加工大型薄腹筋板類(lèi)構(gòu)件的關(guān)鍵是解決成形件形狀、尺寸和性能問(wèn)題。由于模具型腔深而窄，坯料的熱量迅速地向模具散失，使得坯料溫度降低，變形抗力迅速增加，材料塑性急劇降低，普通模鍛工藝往往需要大噸位設(shè)備[3-6]。目前，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家多采用精密鑄造的方法加工薄腹筋板類(lèi)鍛件，但是鑄造狀態(tài)晶粒尺寸比較大、組織不細(xì)密，產(chǎn)品力學(xué)性能差。對(duì)于薄腹筋板構(gòu)件，國(guó)內(nèi)外多采用鍛造或軋制方法預(yù)制簡(jiǎn)單形狀的毛坯，再采用數(shù)控加工或化銑加工的方法將薄腹筋板逐個(gè)加工，但是這種方法的成本較高，材料的利用率低，難以滿足構(gòu)件使用要求。為了解決這一難題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用等溫模鍛技術(shù)對(duì)薄腹筋板鍛件進(jìn)行加工，將模具和坯料都加熱到坯料的鍛造溫度，并使坯料在變形過(guò)程中保持溫度不變，可以顯著改善坯料的塑性和流動(dòng)能力[7-8]，如美國(guó)的渥曼高爾頓公司利用等溫模鍛生產(chǎn)鋁合金鍛件，俄羅斯利用等溫模鍛生產(chǎn)鈦合金葉片[9]，我國(guó)南昌航空工業(yè)學(xué)院利用等溫模鍛研發(fā)了鈦合金搖臂等[10]。

本文借助DEFORM有限元數(shù)值模擬與模鍛試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究300M鋼單肋模鍛件典型部位模鍛過(guò)程中金屬的變形規(guī)律、微觀組織演變以及拉伸力學(xué)性能。

1 300M鋼單肋模鍛件模鍛試驗(yàn)

單肋模鍛件模鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)較少，且這類(lèi)模鍛件尺寸大、形狀復(fù)雜，難以在實(shí)物上開(kāi)展加工工藝和成形規(guī)律的研究，因此基于相似原理的模擬試驗(yàn)是研究單肋模鍛件成形規(guī)律的最有力手段。

1.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)所用材料為公司提供的300M棒料，其化學(xué)成分如表1所示。表2為300M鋼單肋模鍛件模鍛試驗(yàn)方案參數(shù)。

表1 300M鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 300M steel(mass fraction, %)

1.2 試驗(yàn)步驟及結(jié)果分析

圖1分別是300M鋼單肋模鍛試驗(yàn)的下模、模芯及終鍛件的照片。下模內(nèi)槽的尺寸為80 mm×80 mm，考慮到裝配問(wèn)題，將坯料尺寸設(shè)計(jì)為78 mm×78 mm，模鍛試驗(yàn)在液壓機(jī)上進(jìn)行，其工藝為：

(1)將坯料在加熱爐內(nèi)以一定功率加熱到1160℃并保溫30 min；

(2)將模芯放入加熱爐內(nèi)加熱到350℃并保溫20 min；

(3)待下模在壓力機(jī)上固定之后轉(zhuǎn)運(yùn)模芯并涂抹潤(rùn)滑劑；

(4)裝配好模芯之后立即轉(zhuǎn)運(yùn)毛坯并放置在模具內(nèi)；

(6)將成形件取出，觀察其成形效果并測(cè)量尺寸。

試驗(yàn)終鍛件如圖1(c)、(d)所示。可見(jiàn)終鍛件成形效果較好，外觀沒(méi)有明顯的折疊等缺陷。經(jīng)過(guò)測(cè)量，終鍛件底板尺寸為80 mm×80 mm×20 mm，肋板高度為30 mm。

表2 300M鋼單肋模鍛件試驗(yàn)方案參數(shù)Table 2 Experimental scheme parametersof 300M steel single-ribbed forgings

圖1 模具及終鍛件照片F(xiàn)igure 1 Photos of molds and final forgings

1.3 模鍛過(guò)程的數(shù)值模擬

利用DEFORM對(duì)300M鋼單肋模鍛件模鍛成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖2為300M鋼單肋模鍛件在充填過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化情況。由圖可見(jiàn)，由于鍛件與模具之間存在熱量交換，與上、下模接觸處的金屬溫度較低，整個(gè)鍛造成形階段經(jīng)歷的時(shí)間很短，只有零點(diǎn)幾秒，因此鍛件整體溫度變化并不明顯。在1號(hào)區(qū)域(肋板與底板交界處)，溫度區(qū)間為1030～1090℃，在2號(hào)區(qū)域(底板中心處)的金屬溫度較高，溫度區(qū)間為1140～1150℃，在充填完成時(shí)底板中心的金屬溫度與初始階段基本無(wú)差別，在3號(hào)區(qū)域(肋板處)金屬的溫度區(qū)間為1070～1140℃，與型腔內(nèi)壁接觸的金屬溫度值比肋板中心處的金屬稍低。當(dāng)型腔完全充滿時(shí)，肋板靠近模具型腔處的金屬溫度比底板靠近模具型腔處的金屬溫度值高，原因可能是肋板處的金屬在鍛造成形時(shí)與型腔內(nèi)壁摩擦產(chǎn)熱使其有較高的溫度。

圖2 溫度場(chǎng)云圖Figure 2 Nephogram of temperature field

圖3 速度場(chǎng)云圖Figure 3 Nephogram of velocity field

圖3為300M鋼單肋模鍛件模鍛過(guò)程中速度場(chǎng)云圖，從速度向量場(chǎng)中可見(jiàn)，鍛件金屬流向主要分為三個(gè)部分：(1)橫向流動(dòng)，形成底板；(2)縱向流動(dòng)，形成肋板；(3)形成飛邊。

在三個(gè)區(qū)域之間會(huì)形成明顯的分界線(如圖中豎線)，隨著壓下量增加，在速度場(chǎng)中可以清楚看到，不同區(qū)域的金屬流動(dòng)速度有所不同，肋板頂部最快，飛邊區(qū)域次之，底板區(qū)域最慢。

2 典型部位金相組織分析

在模鍛試驗(yàn)終鍛件的典型部位分別切取三個(gè)金相試樣，研究300M鋼單肋模鍛件典型部位的晶粒度變化情況。

2.1 金相試樣制備與處理

將模鍛試驗(yàn)終鍛件按照如圖4所示分成三個(gè)區(qū)域，分別為1號(hào)區(qū)域(底板與肋板交界)；2號(hào)區(qū)域(底板中心)；3號(hào)區(qū)域(肋板)。分別在這3個(gè)區(qū)域進(jìn)行金相試樣的切取。

由于300M鋼純凈度很高，晶界腐蝕不夠清晰，為保證試驗(yàn)可靠性，使奧氏體晶粒邊界清晰可見(jiàn)，采取560℃×4 h回火工藝?；鼗鸷蟮脑嚇釉趻伖鈾C(jī)分別用400目、800目和1200目的砂紙打磨，并且用粒度3 μm的拋光液拋光，最后采用添加了少量鹽酸的飽和苦味酸和洗潔精按4∶1配比的溶液在水浴鍋中65℃腐蝕，并用棉花擦拭10 min，顯示出奧氏體晶界。

2.2 金相試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5(a)～(c)所示分別為在肋板與底板交界處、底板以及肋板區(qū)域取樣得到的金相組織圖，圖5(d)為不同區(qū)域的晶粒度等級(jí)分布圖。可見(jiàn)1號(hào)區(qū)域(底板與肋板交界處)晶粒的平均晶粒度為6級(jí)，2號(hào)區(qū)域(底板處)晶粒的平均晶粒度等級(jí)為7級(jí)，3號(hào)區(qū)域(肋板處)晶粒的平均晶粒度等級(jí)為8級(jí)，說(shuō)明越靠近肋板區(qū)域的金屬晶粒越細(xì)。

數(shù)值模擬分析鍛后三個(gè)區(qū)域的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變。圖6(a)為300M鋼單肋模鍛件充填完成時(shí)的等效應(yīng)力云圖。在型腔充填完成時(shí)，1號(hào)區(qū)域(底板與肋板交界處)的應(yīng)力值較大，最大等效應(yīng)力值為200 MPa，2號(hào)區(qū)域(底板中心處)次之，最大等效應(yīng)力為100 MPa，3號(hào)區(qū)域(肋板)最小，最大等效應(yīng)力值為75 MPa。圖6(b)為300M鋼單肋模鍛件充填完成時(shí)的等效應(yīng)變?cè)茍D。在型腔充填完成時(shí)，3號(hào)區(qū)域(肋板)的等效應(yīng)變比較大，等效應(yīng)變?yōu)?.25～2.5。1號(hào)區(qū)域(肋板與底板交界處)次之，等效應(yīng)變?yōu)?.625～1.56。2號(hào)區(qū)域(底板中心處)最小，等效應(yīng)變?yōu)?～0.625。在鍛件充填型腔時(shí)，底板處的金屬只是發(fā)生橫向的流動(dòng)，并沒(méi)有很大的變形量，而肋板處金屬要克服阻力沿著模芯內(nèi)壁向充填型腔的方向流動(dòng)，從而形成高肋結(jié)構(gòu)，因此，3號(hào)區(qū)域變形量大，晶粒細(xì)。

圖4 金相取樣示意圖Figure 4 Schematic diagram of metallographic sampling

圖5 金相組織及晶粒度等級(jí)Figure 5 Metallographic structure and grain grade

圖6 應(yīng)力和應(yīng)變分析Figure 6 Stress and strain analysis

3 典型部位力學(xué)性能分析

對(duì)模鍛試驗(yàn)終鍛件典型部位進(jìn)行拉伸試樣的切取，通過(guò)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)來(lái)研究300M鋼單肋模鍛件典型部位在橫、縱兩個(gè)方向的力學(xué)性能。

3.1 拉伸試樣的制備

如圖7所示，取終鍛件的四分之一部分，分別在橫、縱兩個(gè)方向進(jìn)行試樣的切取，切成如圖所示的4個(gè)尺寸為40 mm×12 mm×1 mm的長(zhǎng)方形樣條，標(biāo)號(hào)為1～4，再在線切割機(jī)上切成最終的拉伸試樣形狀。

圖7 拉伸試樣取樣示意圖Figure 7 Schematic diagram of sampling for tensile sample

表3 300M鋼終鍛件典型部位力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of typical parts of300M steel final forgings

圖8 斷口形貌圖Figure 8 Fracture morphology

3.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3可知，在終鍛件典型部位縱向位置的抗拉強(qiáng)度的平均值為785.4 MPa，屈服強(qiáng)度的平均值為459.7 MPa；在終鍛件典型部位橫向位置的抗拉強(qiáng)度的平均值為841.2 MPa，屈服強(qiáng)度的平均值為476.9 MPa，可見(jiàn)300M鋼單肋鍛件橫向比縱向金屬力學(xué)性能要好一些。

4 斷口形貌分析

借助掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)拉斷的試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，分析斷裂機(jī)制。

圖8為300M終鍛件典型部位拉伸試樣的SEM斷口形貌，可見(jiàn)，斷口表面比較平整，斷口為灰色纖維狀韌性斷口，斷口形貌為韌窩狀，可判斷是韌性斷裂。

5 結(jié)論

(1)模鍛試驗(yàn)得到的終鍛件較為完整，表面沒(méi)有明顯的缺陷，但是實(shí)際鍛件肋板高度要低于模擬肋板高度。單肋模鍛件典型部位肋板與底板交界處、底板及肋板晶粒度分別為：6級(jí)、7級(jí)和8級(jí)，數(shù)值模擬和試驗(yàn)均表明肋板的變形大，因此晶粒較細(xì)。

(2)300M模鍛件典型部位橫向位置的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比縱向位置的好一些。

(3)300M鋼單肋模鍛件典型部位縱向和橫行拉伸斷口，低倍下均較為平整，高倍下斷口韌窩較多且較深，塑性比較好，判定為韌性斷裂。