三維熱加工圖的GCr15鋼可成形性分析

陳學(xué)文，楊怡思，司亞輝，張博

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

GCr15鋼是高碳、高鉻軸承用鋼，是軸承行業(yè)常用的鋼種之一，由于制造技術(shù)的發(fā)展，材料的產(chǎn)量與質(zhì)量逐年提高，在全世界軸承鋼的生產(chǎn)總量中達(dá)到85%以上[1]。目前，關(guān)于GCr15軸承鋼的研究大多都專注于熱處理[2]、表面技術(shù)[3]以及高溫變形[4]等方向。實(shí)際生產(chǎn)中，GCr15鋼多采用高溫成形的方式，雖然成形較容易但是會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的表面脫碳及材料浪費(fèi)，而溫?zé)岢尚尾粌H能夠解決該問題，還能夠細(xì)化晶粒，提高材料的性能，因此，對(duì)GCr15鋼在溫?zé)岢尚螠囟确秶目沙尚涡匝芯糠浅Ｖ匾?/p>

熱加工圖能夠分析并預(yù)測(cè)金屬材料在熱成形過程中各個(gè)區(qū)域的變形特征，以便掌握熱加工的“安全區(qū)”與“非安全區(qū)”。目前對(duì)材料熱成形性分析多是基于傳統(tǒng)的二維熱加工圖[5-10]。文獻(xiàn)[11]利用熱壓縮試驗(yàn)研究了純鎳N6的熱加工性和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制，構(gòu)建純鎳N6的本構(gòu)方程和二維熱加工圖，并結(jié)合顯微組織觀察得到純鎳N6動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的主要和輔助機(jī)制。文獻(xiàn)[12]研究了27SiMn鋼的熱變形特性，繪制了27SiMn鋼的二維熱加工圖，并對(duì)該合金的熱加工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，獲得了適宜加工的條件。文獻(xiàn)[13]研究鉭顆粒增強(qiáng)TiAl復(fù)合材料的熱變形特性，通過繪制不同應(yīng)變下的加工圖，得到熱加工的優(yōu)化參數(shù)，研究顯微組織演變過程，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在此過程中起著重要作用。

隨著加工圖研究進(jìn)展的推進(jìn)，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)對(duì)于存在著明顯應(yīng)變軟化效應(yīng)的材料，應(yīng)變對(duì)材料的可成形性具有顯著影響[14-15]，只有構(gòu)建包含應(yīng)變的三維熱加工圖，才可以更準(zhǔn)確地描述材料在不同條件下的可成形性[16-18]。文獻(xiàn)[19]繪制了包含應(yīng)變的3D熱加工圖，得到鎂合金不同條件下的成形特性，以及失穩(wěn)和耗散值的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[20]研究了在不同壓力下由擠壓鑄造工藝制備的6082鋁合金的熱變形特性，繪制了3D熱加工圖，并結(jié)合對(duì)合金的微觀組織演化以及第二相顆粒對(duì)微觀組織的影響的研究，得到最優(yōu)加工區(qū)域。GCr15軸承鋼存在著明顯應(yīng)變軟化效應(yīng)，因此，建立包含應(yīng)變的三維熱加工圖，能夠優(yōu)化加工工藝參數(shù)，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)有現(xiàn)實(shí)意義。

為了探究GCr15鋼溫?zé)岢尚螠囟确秶鷥?nèi)的可加工性能，本文在溫?zé)岢尚螠囟确秶A(chǔ)上將試驗(yàn)溫度范圍進(jìn)行擴(kuò)大，使用Gleeble-1500D型熱-力模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)的條件是溫度600～1 050 ℃、應(yīng)變速率0.01～5 s-1。對(duì)試驗(yàn)所獲得真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行處理，基于動(dòng)態(tài)材料模型(dynamic material model，DDM)建立了包含應(yīng)變的3D熱加工圖，并對(duì)各條件下的金相組織進(jìn)行觀察、對(duì)比、分析，研究GCr15鋼的微觀組織演變，以確定適用于GCr15鋼的最佳熱加工工藝參數(shù)，規(guī)避加工過程中產(chǎn)生裂紋等組織缺陷，獲得性能優(yōu)異的工件。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用的材料為GCr15鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 GCr15鋼的化學(xué)成分 %

將GCr15軸承鋼經(jīng)線切割加工成Φ6.5×12 mm圓柱試樣，采用Gleeble-1500D型熱-力模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，熱壓縮工藝見圖1。試驗(yàn)溫度為600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃和1 050 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1和5 s-1。由于模具與試樣之間存在摩擦，試樣變形時(shí)容易產(chǎn)生明顯的鼓形，因此在試驗(yàn)過程中涂抹石墨于試樣的兩端，其作用是潤(rùn)滑以使壓力分布均勻，減小摩擦。把每個(gè)試樣以10 ℃/s的速度加熱到1 100 ℃，以得到均勻奧氏體化后的材料。隨后降溫至測(cè)試所需溫度并保持，以確保所有部位的溫度沒有差異，按指定條件壓縮試樣。為了便于觀察在相應(yīng)變形條件下的金相組織，當(dāng)變形量達(dá)到50%時(shí)，試樣用水淬火至室溫，時(shí)間不超過2 s。將得到的試樣用線切割機(jī)沿軸向切成兩半，進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光。采用特制GCr15鋼金相腐蝕劑，80 ℃水浴加熱3～5 min，用酒精棉擦去腐蝕產(chǎn)物，吹風(fēng)機(jī)快速吹干后進(jìn)行金相組織觀察，并拍照。

圖1 熱壓縮工藝圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下GCr15鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。圖2中各曲線隨著真應(yīng)變由0增加至0.65，真應(yīng)力先快速增大，隨后增速減小，達(dá)到峰值，而后真應(yīng)力緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶曲線特征。對(duì)圖2觀察比較發(fā)現(xiàn)，溫度一定時(shí)，應(yīng)變速率越高，GCr15鋼的真應(yīng)力值越大，如圖2a溫度為850 ℃時(shí)，應(yīng)變速率0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、5 s-1對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力分別為132 MPa、185 MPa、256 MPa、304 MPa。圖2b溫度為1 050 ℃時(shí)，應(yīng)變速率0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、5 s-1對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力分別為47 MPa、70 MPa、115 MPa、141 MPa。這是因?yàn)閼?yīng)變速率增大，使得加工硬化的主導(dǎo)作用更顯著，峰值應(yīng)力增大。當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，溫度越高，GCr15鋼的峰值應(yīng)力值越小，這是由于隨著溫度的升高，材料內(nèi)部原子的振動(dòng)急劇增快，擴(kuò)散速度增加，位錯(cuò)和空洞的活性升高，并且可能會(huì)有新的滑移系產(chǎn)生，提高塑性變形能力，進(jìn)而使峰值應(yīng)力值減小。

(a) T=850 ℃ (b) T=1 050 ℃

3 熱加工圖

熱加工圖能夠確定金屬材料塑性加工的安全區(qū)和非安全區(qū)，從而更加合理地制定金屬材料的熱加工工藝，以得到符合預(yù)期的微觀組織。

3.1 耗散圖

金屬材料在熱加工過程中單位體積吸收的總功率P可以用式(1)表示[7]：

(1)

其中：P為單位體積吸收總功率，W；G為功率耗散量，W；J為耗散協(xié)量，W。

G與J之間的比值由應(yīng)變速率敏感指數(shù)m決定，只與金屬塑性變形的條件有關(guān)，與真應(yīng)變無(wú)關(guān)[21]，即：

(2)

公式(3)為不同變形條件下的功率耗散因數(shù)η的求解表達(dá)式：

(3)

其中：η為功率耗散因數(shù)；J為耗散協(xié)量，W；Jmax為最大耗散協(xié)量，W；m為應(yīng)變速率敏感因數(shù)。

(4)

(5)

將應(yīng)變相同時(shí)的耗散因數(shù)η用等值線圖的形式呈現(xiàn)，即可得到該應(yīng)變下的功率耗散圖。圖3為真應(yīng)變?yōu)?.4的功率耗散圖。由圖3可以看出：在該應(yīng)變下，溫度為950～1 050 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.13 s-1時(shí)，耗散因數(shù)較大，最大達(dá)到0.401。

圖3 真應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)的功率耗散圖

3.2 失穩(wěn)圖

加工失穩(wěn)圖能夠描述金屬材料在塑性變形過程中安全加工區(qū)和失穩(wěn)區(qū)的分布情況。結(jié)合式(5)可以將齊格勒(Ziegler)[22]失穩(wěn)判據(jù)表達(dá)為式(6)：

(6)

利用公式(6)可求出不同條件下的失穩(wěn)值ξ。將應(yīng)變相同時(shí)的失穩(wěn)值ξ用等值線圖的形式呈現(xiàn)，即可得到該應(yīng)變下的加工失穩(wěn)圖。

圖4為真應(yīng)變0.4的加工失穩(wěn)圖，圖4中：灰色陰影區(qū)域的失穩(wěn)值ξ<0，是加工失穩(wěn)區(qū)；白色區(qū)域則為安全加工區(qū)，失穩(wěn)值ξ≥0。由圖5可得：真應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)，在溫度600～675 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.38 s-1，溫度700～800 ℃、應(yīng)變速率0.05～5 s-1，溫度800～900 ℃、應(yīng)變速率0.8～5 s-1，溫度950～1 050 ℃、應(yīng)變速率0.8～5 s-1時(shí)會(huì)發(fā)生流變失穩(wěn)。計(jì)算出的失穩(wěn)值ξ可以用于分析其失穩(wěn)特征。

圖4 真應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)的失穩(wěn)圖

3.3 二維熱加工圖

將相同條件下的功率耗散圖和流動(dòng)失穩(wěn)圖相疊加，獲得GCr15鋼的二維熱加工圖，如圖5所示。根據(jù)材料的熱加工圖能夠確定金屬材料的熱加工的適宜變形區(qū)。圖5中陰影部分的區(qū)域表示這些地方出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，而沒有出現(xiàn)失穩(wěn)的區(qū)域是金屬材料熱變形的安全加工窗口，在安全加工窗口下，金屬材料的熱加工性能與功率耗散因數(shù)的值呈現(xiàn)正比例關(guān)系。圖5中高功率耗散區(qū)域主要分布于高溫區(qū)，如在溫度950～1 050 ℃內(nèi)，圖5a功率耗散因數(shù)峰值為0.34，圖5b功率耗散因數(shù)峰值為0.39，功率耗散因數(shù)呈現(xiàn)隨應(yīng)變的增加而增大的趨勢(shì)。同時(shí)，由圖5可以看出：失穩(wěn)區(qū)域占比隨應(yīng)變的增加呈現(xiàn)逐步上升的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明在較低的應(yīng)變下對(duì)GCr15鋼進(jìn)行加工成形相對(duì)更加安全。不過值得注意的是，在較低應(yīng)變時(shí)，溫度950～1 050 ℃，應(yīng)變速率大于0.36 s-1時(shí)就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，這說(shuō)明GCr15鋼對(duì)應(yīng)變的敏感度較高，應(yīng)該使用考慮應(yīng)變的三維熱加工圖來(lái)描述GCr15鋼的熱加工特性。

(a) ε=0.2 (b) ε=0.6

3.4 三維熱加工圖

三維熱加工圖與傳統(tǒng)的二維熱加工圖有所不同，能夠更好地表現(xiàn)應(yīng)變對(duì)金屬材料可成形性的影響。對(duì)于以加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)為主導(dǎo)的金屬材料，二維熱加工圖也能夠描述金屬材料的可成形性。但是對(duì)于存在著明顯軟化效應(yīng)的材料(如本文研究的GCr15鋼)，由于應(yīng)變對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等微觀組織演變現(xiàn)象的影響很大，只有構(gòu)建包含應(yīng)變的三維熱加工圖，才可以更準(zhǔn)確地說(shuō)明該材料在不同條件下的熱加工特性。因此，以上一節(jié)得到的各個(gè)應(yīng)變下的功率耗散圖與流動(dòng)失穩(wěn)圖為基礎(chǔ)，將溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變分別作x、y、z軸，繪制得到應(yīng)變?yōu)?.1～0.6的三維功率耗散圖，見圖6。應(yīng)變?yōu)?.1～0.6的三維流動(dòng)失穩(wěn)圖，見圖7。

從圖6中可以直觀得看出：隨著應(yīng)變的增大，功率耗散因數(shù)值大于0.30的區(qū)域增大。從溫度來(lái)看，600～800 ℃的功率耗散因數(shù)較小，在溫度高于850 ℃時(shí)，GCr15鋼功率耗散因數(shù)大于0.30的區(qū)域增大。

圖6 三維功率耗散圖

從圖7中可以看出：隨著應(yīng)變的增加，GCr15鋼的流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)域呈現(xiàn)出逐步上升的態(tài)勢(shì)。但是在應(yīng)變 0.1～0.4，溫度950～1 050 ℃，應(yīng)變速率大于0.36 s-1時(shí)，材料處于失穩(wěn)狀態(tài)。這說(shuō)明當(dāng)選擇了950～1 050 ℃，應(yīng)變速率大于0.36 s-1作為加工條件時(shí)，應(yīng)盡量控制材料的應(yīng)變要大于0.4。溫度850～950 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.37 s-1時(shí)和975～1 050 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.22 s-1時(shí)，都處于安全區(qū)，并且耗散因數(shù)大于0.30，需要通過金相組織分析確定適宜加工區(qū)域。

圖7 三維失穩(wěn)圖

4 可成形性分析

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(dynamic recrystallization, DRX)能夠影響材料熱加工后微觀組織情況和力學(xué)性能優(yōu)劣。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，利用其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象控制金屬的微觀組織演變，從而得到更細(xì)小均勻的微觀組織，顯著提高最終工件成品的力學(xué)性能[23]。所以，研究動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的微觀組織演變機(jī)制對(duì)金屬材料加工性能的分析尤為關(guān)鍵[24]。

圖8a為750 ℃，應(yīng)變速率1 s-1時(shí)的金相照片，處于加工圖中的失穩(wěn)區(qū)，且耗散因數(shù)較低，為0.10。圖8a中可以看出此時(shí)有許多拉長(zhǎng)粗大的帶狀組織。這種現(xiàn)象是因?yàn)榇藭r(shí)應(yīng)變速率較高，變形速度快，并且此時(shí)的變形條件沒有達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界條件，沒有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，由于變形導(dǎo)致形成拉長(zhǎng)的粗大的帶狀組織。

圖8b為800 ℃，應(yīng)變速率1 s-1時(shí)的金相照片，處于加工圖中的失穩(wěn)區(qū)，且耗散因數(shù)較低，為0.12。由圖8b中可以看出，此時(shí)處于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的初始階段，新的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒開始在原始晶粒交界處形成，并呈項(xiàng)鏈狀分布于原始粗大晶粒周圍，這就是GCr15鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形成機(jī)制。

圖8c為800 ℃，應(yīng)變速率0.1 s-1時(shí)的金相照片，處于加工圖中的非失穩(wěn)區(qū)，耗散因數(shù)升至0.23。由圖8c可以看出此時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度相較于800 ℃、應(yīng)變速率1 s-1時(shí)有較大的升高，但仍沒有再結(jié)晶完全，再結(jié)晶形成的小晶粒較多，并且仍存在尚未完全破碎的原始晶粒，晶粒組織不均勻。

圖8d為850 ℃、應(yīng)變速率0.1 s-1時(shí)的金相照片，處于非失穩(wěn)區(qū)，耗散因數(shù)達(dá)到0.30。此時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)非常充分，再結(jié)晶形成的小晶粒已經(jīng)長(zhǎng)大，且晶粒大小均勻，為等軸晶。綜上可以看出，隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成度的升高，耗散值逐漸增加，耗散值能夠反映微觀組織的演變情況。

(a) 750 ℃, 1 s-1

由上節(jié)建立的三維熱加工圖(圖6和圖7)可得：850～950 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.37 s-1時(shí)，975～1 050 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.22 s-1時(shí)，都處于安全加工區(qū)域，且耗散因數(shù)都大于0.30，但是對(duì)比金相組織可知，850～950 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.37 s-1時(shí)(安全加工區(qū)Ⅰ，見圖9)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶已發(fā)生完全，此時(shí)組織較為均勻，材料力學(xué)性能良好，平均晶粒尺寸為11.26 μm。而975～1 050 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.22 s-1時(shí)(安全加工區(qū)Ⅱ，見圖10)，雖然耗散因數(shù)更大，但是由于溫度較高，晶粒完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶以后，出現(xiàn)了晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒變得更加粗大，平均晶粒尺寸為33.98 μm，相較于850～950 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.37 s-1時(shí)，材料的力學(xué)性能會(huì)有所下降。故認(rèn)為850～950 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.37 s-1為適宜加工參數(shù)范圍。

圖9 安全加工區(qū)Ⅰ(900 ℃，0.01 s-1)微觀組織

圖10 安全加工區(qū)Ⅱ(1 000 ℃，0.01 s-1)微觀組織

5 結(jié)論

(1)基于動(dòng)態(tài)材料模型以及Ziegler失穩(wěn)判據(jù)，建立了GCr15鋼的二維熱加工圖，由于二維熱加工圖無(wú)法描述GCr15鋼這種應(yīng)變軟化效應(yīng)的金屬材料的可成形性，在二維熱加工圖的基礎(chǔ)上，建立了GCr15鋼包含應(yīng)變的三維熱加工圖。

(2)GCr15鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程可概括為：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶初期，在原始晶粒交界處形成初始動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，并呈項(xiàng)鏈狀分布于原始粗大晶粒周圍；隨著再結(jié)晶的進(jìn)行，再結(jié)晶形成的小晶粒長(zhǎng)大；最終動(dòng)態(tài)再結(jié)晶結(jié)束后，晶粒大小均勻，且為等軸晶，材料性能較優(yōu)異。

(3)利用三維熱加工圖，分析高功率耗散區(qū)以及非流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)，結(jié)合金相組織分析，得出材料的適宜加工參數(shù)范圍為應(yīng)變大于0.4，溫度850～950 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.37 s-1。