刘 鑫 钟约先 马庆贤 袁朝龙

清华大学先进成形制造教育部重点实验室,北京,100084

0 引言

有效利用钢的再结晶机制,可以消除铸态粗大枝晶组织,获得细小均匀的组织,从而提高热加工产品的性能。研究表明,金属发生动态再结晶后的晶粒结构比静态再结晶和亚动态再结晶的晶粒结构具有更好的综合性能[1]。因此,控制锻造温度、变形量等参数,利用水压机较小的应变速率对锻件进行控制锻造,诱发金属在高温下的动态再结晶,成为大型锻造件生产过程中提高产品性能的最主要途径。

目前,我国的大型低压转子用钢为30Cr2Ni4MoV钢,相当于国外的3.5%NiCrMoV钢,我国机械行业标准对30Cr2Ni4MoV钢化学成分的质量分数及力学性能的做出了规定[2]。如何通过细化和均匀内部晶粒来提高产品机械性能,并最终具备百万千瓦级核电低压转子的设计和制造能力,是我国目前急需突破的重点方向。研究并建立30Cr2Ni4MoV钢的动态再结晶模型,可以为建立30Cr2Ni4MoV钢锻造生产过程的数值模拟模型提供重要基础。

1 热模拟实验方案

为研究30Cr2Ni4MoV钢的流变力学行为和动态再结晶行为,本实验设备为Gleeble1500热模拟实验机,模拟参数为转子锻件在生产过程中的锻造温度和水压机应变速率。实验采用平面压缩法,试样为φ 8mm×12mm的圆柱,圆柱两端开凹槽并填充润滑剂以减小试样在加载过程中出现的鼓肚等变形不均匀,圆柱周围涂抹抗氧化剂防止表面氧化和热电偶脱落。实验工艺流程如下:先将试样加热至1200℃并保温5min,再将温度调整至变形温度T,然后压缩试样变形至应变ε=0.7,接着水冷。工艺参数如表1所示。

表1 实验工艺参数设计

2 流变力学行为

2.1 高温流动应力曲线

实验得到的30Cr2Ni4MoV钢在各应变速率和温度条件下的流动应力曲线如图1～图3所示。流动应力曲线上应变增大而应力基本恒定时,试样处于动态再结晶稳态。由此可见,在应变速率为1s—1时,温度达到1200℃才能发生动态再结晶并呈现稳态;应变速率为 0.1s—1时,温度高于1000℃可发生动态再结晶,1150℃以上可以呈现稳态;应变速率为0.01s—1时,温度只需高于900℃就可发生动态再结晶,高于1000℃呈现稳态。即在应变速率较大时,30Cr2Ni4MoV钢只有在较高温度下变形才能发生动态再结晶,在较高温度下,各种应变速率条件变形都容易发生动态再结晶。由此可见,在大型轴类锻件的生产条件下,提高变形温度和减小应变速率都有利于减小30Cr2Ni4MoV钢的峰值应力,使之发生动态再结晶。大型核电低压转子钢生产中应变速率可达0.01s—1,甚至更小,本文实验得到的数据在实际生产中利用是安全的。

2.2 动态再结晶热激活过程模型

变形过程中,变形温度和应变速率对钢的软化都起作用,动态再结晶的数学模型[3-4]通常用温度补偿应变速率因子Zener—Hollomon参数Z来描述动态再结晶行为,即

式中,QDRX为变形激活能;R为气体常数;T为热力学温度。

金属材料发生动态再结晶时,其流动应力曲线的第一个峰值应力σp和参数Z满足如下关系:

式中,A和n为只与材料自身相关的常系数。

lnσp与lnZ之间的关系如图4所示。

2.3 动态再结晶动力学模型

在一定的温度和一定应变速率的条件下,高温流动应力曲线中的峰值应变εp、稳态应变εs、动态再结晶发生的初始临界应变εc和参数Z满足如下关系:

式中,Bi、mi为只与金属材料自身相关的常系数。

并且有[5]

将实验取得的高温流动应力特征数据代入式(5)进行多元回归可以得到30Cr2Ni4MoV钢的动态再结晶动力学模型:εp=1.48 ×10—3Z0.179,相关系数为0.978 97,εc=0.8εp;εs=3.27×10—3Z0.175,相关系数为0.930 95。lnεp 、lnεs、lnεc 与 ln Z 之间的关系如图5所示。

2.4 动态再结晶比例

采用Avrami型表达式描述金属材料的动态再结晶运动学过程,动态再结晶发生后,其动态再结晶比例为

为避免金相腐蚀和视场选择等人为因素对动态再结晶体积比例确定造成的影响,选用Beynon等[6]提出的基于高温流动应力曲线的金属材料动态再结晶体积比例测量方法计算:

式中,σ为金属高温流动应力曲线上的应力值;σs为动态再结晶稳态应力值;σREC为假想金属未发生动态软化时流动应力曲线上的应力值;σ′s为该流动应力曲线的稳态应力值。

上述各参数的关系如图6所示。

将实验取得的高温流动应力特征数据代入式(6)进行多元回归可以得到30Cr2Ni4MoV钢的动态再结晶比例:

相关系数为0.9057。

2.5 动态再结晶晶粒尺寸模型

研究认为,动态再结晶晶粒尺寸为正比于参数Z的指数函数:

式中,dDXR为动态再结晶晶粒尺寸;C和N为只与金属材料自身相关的常系数。

将实验取得的结果试样进行腐蚀得到原奥氏体晶界,测量发生动态再结晶试样的动态再结晶晶粒的平均尺寸,将所得尺寸和实验条件代入式(9)进行多元回归可以得到30Cr2Ni4MoV钢的动态再结晶晶粒尺寸模型:

相关系数为0.97679。

3 高温变形淬火后的显微组织

为保证热模拟试样的温度均匀分布和初始晶粒度相同,试样在变形实验前加热至1200℃并保温。此时,试样中奥氏体晶粒尺寸约为190μ m。

对于一定变形温度和应变速率条件,当变形达到初始临界应变εc时,动态再结晶发生;达到稳态应变εs时,发生完全动态再结晶;介于两者之间时,发生部分动态再结晶。如图7所示,变形温度t=1000℃、应变速率为 0.1s—1条件下的试样显微组织在较大的原奥氏体晶界处形成再结晶核心,核心长大成为细小等轴晶粒并逐步向内扩展。用截线法对其动态再结晶体积比例XDXR进行测量,得到的测量值为68.95%,这比根据式(8)获得的计算值69.61%小0.96%,从而验证了式(8)的准确性。

根据30Cr2Ni4MoV钢的动态再结晶动力学模型可知,提高温度和减小应变速率都有利于动态再结晶的发生。当温度较低、应变速率较大时,较小的变形不足以积累足够的位错密度,不能达到动态再结晶所需的驱动力,变形后试样的显微组织为垂直压缩方向拉长的晶粒,即晶粒呈扁平状,如图8a所示,此时随着应变量的增大,位错密度不断提高,宏观体现为材料的加工硬化过程;当温度较高、应变速率较小时,较小的应变就可以积累到足够的位错密度,达到动态再结晶所需要的驱动力,动态再结晶晶粒于原奥氏体晶界形成并逐步向内扩展,最终吞噬掉整个晶粒,形成细小等轴晶,如图8b所示,此时,动态再结晶引起的软化和加工硬化形成了动态平衡,在应力—应变曲线上反映为屈服应力保持恒定值。

当动态再结晶完成后,该部分的位错畸变能随之得以释放,但随着变形的继续,动态再结晶持续进行。同时,动态再结晶形成的晶粒又承受新的变形,产生新的加工硬化,从而积累应变开始新的软化过程。因此,就整个奥氏体来说,动态再结晶的发生不能完全消除奥氏体的加工硬化,上述原因使得奥氏体动态再结晶中的晶粒尺寸不是完全均匀的,如图9、图10所示。对于大型锻件,由于尺寸和吨位的巨大,其加工过程往往比较费时,并且在锻造变形后都要停留一定的时间,使新晶粒可以通过逐步相互合并长大而达到一个稳定的尺寸。

在温度一定的条件下,应变速率越大,发生完全动态再结晶后,晶粒越细小,如图9所示。这主要是由于减小应变速率可使变形过程中产生的位错有充足的时间以交滑移与攀移的方式运动,使部分位错消失,部分重新排列,位错以动态回复等其他软化方式消耗,从而由高能态的混乱排列向低能态的规则排列变化。

在应变速率一定的条件下,温度越低,发生完全动态再结晶后,晶粒越细小,如图10所示。这主要由于变形温度越高,原子活动能力增大,位错的运动变得剧烈,杂乱分布的位错逐渐集中或按规律排列,使得动态回复的程度增大,从而减小了变形后的畸变能,使晶粒粗化;同时,动态再结晶完成后,晶粒会以大角晶界的移动和相互合并的方式长大,温度越高,晶粒长大的速度也越快。

4 结论

(1)30Cr2Ni4MoV钢为典型低层错能钢,再结晶温度以上时,在较小应变速率下可以发生连续动态再结晶,流动应力在变形抗力出现应力峰值后进入稳态,变形后试样的显微组织表明其内部产生了动态再结晶等轴细晶。

(2)提高温度和减小应变速率有利于动态再结晶的发生;发生动态再结晶的参数范围内,降低温度和增大应变速率有利于细化动态再结晶晶粒。

(3)为了充分利用动态再结晶机制,使锻件获得良好的晶粒度,30Cr2Ni4MoV钢建议锻造应变速率在0.1s—1以下、变形温度在1050℃以上;最后一次的锻造在保证充分动态再结晶的条件下,采用尽量大的应变速率和尽量低的温度。

(4)得到了30Cr2Ni4MoV钢的动态再结晶数学模型。

[1]毛卫民,赵新兵.金属的再结晶与晶粒长大[M].北京:冶金工业出版社,1994.

[2]中华人民共和国国家经济贸易委员会.JB/T7022—2002.中华人民共和国机械行业标准—工业汽轮机转子体锻件技术条件[S].北京:机械工业出版社,2003.

[3]McQueen H J.Development of Dynamic Recrystallization Theory[J].Materials Science and Engineering A,2004,387/398:203-208.

[4]McQueen H J,Imbert C A C.Dynamic Recrystallization:Plasticity Enhancing Structural Development[J].Journal of Alloys and Compounds,2004,378(1/2):35-43.

[5]Sellars C M.Modeling of Structure Development during Hot Rolling[J].Materials Science and Technology,1990,6:1072-1081.

[6]Beynon J H,Sellars C M.Modeling Microstructure and Its Effects during Multi—pass Hot Rolling[J].ISIJ International,1992,32(3):359-367.