旋壓成形對T-250鋼機械性能的影響

文/李增輝，李俊峰，張曦寧，趙琳瑜·西安航天動力機械廠

旋壓成形對T-250鋼機械性能的影響

文/李增輝，李俊峰，張曦寧，趙琳瑜·西安航天動力機械廠

T-250馬氏體時效鋼以其高強度、斷裂韌性、屈強比、熱處理工藝簡單、尺寸穩定、變形小、無脫碳、殼體表觀質量好、冷成形、焊接、機加工藝性好等優點，一直被視為制造航天固體火箭發動機殼體的最佳金屬材料。但昂貴的價格限制了它的廣泛使用。不過近年來，隨著低成本的無Co馬氏體時效鋼T-250在國內的研制成功，使其廣泛應用成為可能。

上鋼五廠對已投入工業化生產的無Co馬氏體時效鋼T-250開展了旋壓工藝對其性能影響的分析研究，以及對T-250鋼原材料經過兩種成形工藝方案制備的試樣進行不同溫度下的時效處理試驗，獲得相應的性能數據，最終確定540℃×3h的最終時效熱處理制度可以保證殼體抗拉強度為1700～1850MPa，延伸率≥0.06的性能要求。

實驗

實驗材料

馬氏體時效鋼在820℃固溶處理后空冷或水冷即可形成高密度位錯的板條馬氏體組織，但由于沒有第二相粒子對位錯釘扎作用，因而此時的馬氏體時效鋼強度并不高而塑性很好，適于冷塑性加工。然后再加熱到480℃經過時效處理后，基體組織中析出Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo等強化相，增大了高密度位錯、位錯亞結構以及馬氏體板條界移動的阻力，從而使馬氏體時效鋼的強度提高。國內外無鈷馬氏體時效鋼的力學性能見表1所示。

馬氏體時效鋼熱處理變形小，可在精加工后直接進行時效處理，但考慮到圓筒材料在時效熱處理前經過多道次旋壓加工，其內部組織狀態、晶粒度等都將發生變化，采用常規的480℃時效處理制度，圓筒的機械性能不能滿足設計要求，需要針對旋壓成形的工藝特點進行試驗，來探索更為合理的熱處理工藝參數。

表1 國內外無鈷馬氏體時效鋼的力學性能

表2 T-250鋼的化學成分 （ω，%）

表3 T-250鋼固溶狀態下的機械性能

材料可旋性分析

在研究過程中，采用從上鋼購進的一定數量的T-250鋼熱軋管料，該批材料采用真空感應熔煉（VIM）＋真空電弧重熔（VAR）的雙真空冶煉工藝。其化學成分及固溶狀態下的機械性能如表2、3所示。

由上表3可以看出：固溶狀態下T-250鋼的斷面收縮率Ψ很大，可達到60%以上，可見該材料具有較高的塑性加工性能。可計算其極限旋壓減薄率ε可高達77.9%。由此說明：T250鋼具有良好的可旋壓性能。

實驗方法

旋壓加工設備：PTxxx旋壓機。

旋壓毛坯厚度：8.5mm。

工藝方案：

方案一：擠壓管→毛坯機加→旋壓→磁粉探傷→時效處理→性能測試。

方案二：擠壓管→毛坯機加→旋壓→固溶→旋壓→磁粉探傷→時效處理→性能測試。

試驗過程

旋壓過程：方案一采用三道次連續旋壓成形，即毛坯由8.5mm分三道次減薄至1.1mm；方案二則是在第二道次后進行固溶處理（815℃＋1h），此時工件壁厚約為3.8mm，然后再進行第三道次旋壓（終旋），使工件減薄至1.1mm。

試樣切取：試樣從經過旋壓圓筒上切取，利用線切割加工成板狀拉伸試樣和硬度試樣。

時效處理：對各試樣進行不同溫度的時效處理。

性能測定：拉伸試驗按GB/T228執行，性能測試在電子拉力材料試驗機和洛氏硬度機上進行。

結果與分析

原材料試驗結果如表4所示，三道次連續旋壓成形方案（方案一）所得試片的試驗結果如表5所示，方案二所得試片的試驗結果如表6所示。

表4 原材料試片的拉伸試驗結果

表5 方案一所得試片的拉伸試驗結果

表6 方案二所得試片的拉伸試驗結果

圖1 時效溫度對硬度的影響

圖2 時效溫度對抗拉強度和延伸率的影響

時效溫度對硬度及抗拉強度和延伸率的影響

T250鋼原材料、經過三道次連續旋壓（方案一）以及中間增加固溶處理的旋壓件（方案二）的硬度與時效溫度的關系，如圖1所示，硬度值為兩個試樣的平均值，而每個試樣檢測三個硬度值，并求其平均值。從圖1中可以看出，采用同樣的時效時間，當在360℃以下時，時效溫度對硬度的影響程度較小，而在360～480℃時效范圍內，硬度（HRC）會隨時效溫度的增加而逐漸上升，480～540℃硬度（HRC）有所下降，但幅度較小。另外，采用同樣的時效熱處理制度，方案一試樣硬度值相對較高，方案二試樣次之，而原材料試樣硬度值最小。從圖1中還可以看出，在室溫下，旋壓加工對T250鋼的硬度影響不大，旋壓前后其硬度值基本不變化。可見，塑性變形對該材料冷作硬化效果不明顯。

T250鋼原材料經過三道次連續旋壓以及中間增加固溶處理的旋壓件的抗拉強度和延伸率與時效溫度的關系如圖2所示，抗拉強度和延伸率值為兩個試樣的平均值。從圖2可以看出，與硬度值變化趨勢相近，采用同樣的時效時間，當在360℃以下時，時效溫度對抗拉強度的影響程度較小，而在360～480℃時效范圍內，強度值會隨時效溫度的增加而迅速上升，480～540℃強度值有所下降，但幅度較小。同樣，在同樣時效處理制度下，方案一試樣強度值相對較高，方案二試樣次之，而原材料試樣強度值最低。但三類試樣相差幅度并不大，由此可以看出塑性變形對T250鋼的冷作硬化效果影響非常小。對應的延伸率值則剛好與強度及硬度值情況表現出相反的變化趨勢，并且在360～480℃時效范圍內，延伸率值迅速下降。

討論分析

金屬材料的機械性能取決于在塑性變形過程中位錯滑移的難易程度。如前所述，馬氏體時效鋼在820℃固溶處理后空冷或水冷即可形成高密度位錯的板條馬氏體組織，但由于沒有第二相粒子對位錯釘扎作用，因而此時的馬氏體時效鋼強度并不高但塑性很好，適于冷塑性加工。當時效溫度小于360℃時，由于溫度偏低，基體組織中Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo等強化相在晶界和位錯處開始形核長大，但強化相粒子尺寸極度微小，且析出量也很少，強化相粒子對位錯的釘扎作用較小，因而硬度、強度和延伸率值變化不大。隨著時效溫度逐步升高（360～480℃），基體組織中Ni3Ti等強化相析出量逐漸增多并由極度細小的球狀長大為針狀或棒狀，變得與基體半共格，使位錯線繞過強化相所需的應力進一步增大，當強化相長大到臨界尺寸15b（b：位錯的布氏矢量模）時，位錯線不能繞過強化相粒子而形成析出相釘扎位錯，對高密度位錯、位錯亞結構以及馬氏體板條界的移動起到釘扎和阻礙作用，此時材料強度達到最大值，而延伸率降至最小值。當時效溫度進一步升高（480～540℃），析出相Ni3Ti長大，粒子間距增加并發生部分溶解，加上局部的Ni、Mo、Ti等元素偏析，出現逆轉變奧氏體。在一定溫度范圍內，時效溫度越高，馬氏體中出現逆轉變奧氏體越多，使得材料強度下降，而延伸率升高。對于在同樣時效處理制度下，方案一試樣強度值相對較高，方案二試樣次之，而原材料試樣強度值最低。我們分析認為：

（1）T250鋼原材料經過旋壓加工后，材料內部粗大晶粒被碾壓擠碎，晶粒得到細化，增大了晶界數量，增大的位錯移動的阻力；（2）旋壓加工的大變形使得基體中位錯密度和數量大幅度增加；（3）旋壓加工的大變形使得基體中強化相粒子的形核部位增多，在時效過程中使得強化相粒子的析出量迅速增多，進一步阻礙了位錯的移動。

對于方案一與方案二試樣的性能差別，主要是因為時效前的旋壓變形程度不一樣造成的。方案一試樣的旋壓減薄量達到87%以上（8.5mm旋壓至1.1mm，實際壓下量高達7.4mm），而方案二試樣的旋壓減薄量為71%（3.8mm旋壓至1.1mm，實際壓下量僅為2.7mm）。相比較而言，方案一試樣的旋壓變形程度較大，因而對材料強度、延伸率性能的影響相對更大一些。

結束語

試驗結果表明T250鋼材料具有良好的可旋性，減薄率可達到80%上，其抗拉強度增幅不大，但延伸率有較顯著的降低；旋壓減薄率對T250鋼材料時效處理后的性能，尤其是延伸率的影響較大；經480℃＋3h時效處理后，其抗拉強度達到1900MPa以上，但延伸率則均小于0.03；在精旋之前增加固溶處理后，所旋壓成形的試樣經過540℃＋3h的時效處理，可獲得較為合理的強度與延伸率。