AerMet100超高強度鋼的動態力學性能研究

張勝男，程興旺

(北京理工大學 材料學院 沖擊環境材料技術國家級重點實驗室，北京 100081)

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AerMet100超高強度鋼的動態力學性能研究

張勝男，程興旺

(北京理工大學 材料學院 沖擊環境材料技術國家級重點實驗室，北京 100081)

對AerMet100超高強度鋼淬火后深冷處理，然后在不同溫度下回火，利用OM,SEM,TEM對處理后的組織進行觀察。采用分離式Hopkinson壓桿研究不同熱處理工藝對其動態力學性能的影響規律。結果表明：深冷處理可降低殘余奧氏體的含量，提高材料的動態塑性，改善材料的綜合性能；在高應變率(1000～4200s-1)下，與準靜態相比，材料表現出明顯的應變率硬化效應。隨著回火溫度的升高，材料的動態壓縮強度呈現出先升高后降低的趨勢，在482℃時出現峰值，約為2800MPa。在動態加載條件下，材料的斷裂形式均是剪切斷裂。

AerMet100超高強度鋼；動態力學性能；深冷處理；絕熱剪切帶

超高強度鋼具有較高的強度和足夠的韌性，是制造國防尖端武器的關鍵材料之一[1,2]。隨著科學技術的發展，對超高強度鋼綜合性能的要求越來越高。高合金超高強度鋼的合金元素含量超過10%(質量分數)，合金元素可以提高鋼的綜合性能。AerMet100超高強度鋼[3]作為高合金鋼中的二次硬化鋼[4,5]，是在AF1410的基礎上，通過改善其合金元素的種類和配比而設計出來的一種新型超高強度鋼。具有超高的強度、良好的斷裂韌性、較高的疲勞強度、優良的抗應力腐蝕斷裂和抗疲勞裂紋斷裂的能力，憑借優良的強韌性配合被廣泛應用在飛機起落架、火箭外殼、火箭發動機外殼、飛機旋翼等領域。目前，對AerMet100超高強度鋼已有的研究主要集中在微觀組織、化學成分、化學表面強化、二次硬化機理、熱變形行為、準靜態力學性能等方面。李杰等[6]研究了AerMet100超高強度鋼在427～510℃范圍內回火的力學性能，發現AerMet100超高強度鋼的力學性能對回火溫度的敏感性較大，在482℃附近溫度回火時力學性能變化明顯。彭雯雯等[7]研究了不同回火溫度對Aermet100超高強度鋼的微觀組織及韌性的影響。陳蓬[8]利用激光相變硬化處理工藝研究了表面強化對材料組織和力學性能的影響。王長亮等[9]采用超音速火焰噴涂方法在AerMet100超高強度鋼基體上制備了WC10Co4Cr 涂層，研究了不同噴砂條件對AerMet100超高強度鋼表面粗糙度變化和對涂層與基體結合強度的影響。張濱巖[10]研究了化學成分對材料組織和性能的影響。汪向榮等[11]對材料的二次硬化機理進行了系統研究。Koji[12]提出了影響材料韌性的因素，并對其影響機理進行了研究。楊小紅等[13]在熱模擬機上對AerMet100 超高強度鋼進行了恒溫和恒應變率的熱壓縮實驗，發現材料的流動應力隨著變形溫度的升高而降低，隨應變速率的增大而增大。汪向榮[14]研究了AerMet100超高強度鋼熱變形行為及熱處理過程組織結構演變與力學性能的變化規律，獲得了較佳的熱變形參數，進而制定了AerMet100超高強度鋼熱軋變形工藝。喬慧娟等[15]通過熱模擬壓縮實驗研究了Aermet100超高強度鋼在應變速率為0.01～50s-1、變形溫度為1073～1473K 和變形程度為0.05～0.9 條件下的熱變形行為，并建立了基于正交分析的回歸型Aermet100超高強度鋼的熱變形本構方程。王六定等[16]對材料逆轉變奧氏體形成的動力學進行了研究。

隨著應用范圍的擴展，對其動態力學性能的研究越來越有必要。本工作以AerMet100超高強度鋼的動態力學性能為主要研究內容，針對特殊的深冷處理工藝及不同的回火溫度，利用分離式Hopkinson壓桿來研究熱處理工藝對AerMet100超高強度鋼動態力學性能的影響規律。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗的研究對象為AerMet100超高強度鋼，實驗用鋼的原始狀態為鍛造退火態，尺寸為φ28mm×150mm，其化學成分如表1所示，微量元素如N，P，Mn等含量均在規定范圍之內，材料較為純凈。

表1 AerMet100超高強度鋼的化學成分(質量分數/%)

1.2 實驗方法

本實驗采用的熱處理工藝參數如表2所示。制備金相試樣，并用體積分數為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕。采用光學顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)分析其組織特征；用透射電鏡(TEM)分析微結構，觀察面為橫截面；利用分離式Hopkinson壓桿對材料進行室溫動態壓縮實驗，采用φ4mm×4mm的圓柱形試樣。控制應變率在1000～4200s-1范圍內，每組實驗進行3次，動態壓縮強度取其平均值。

表2 熱處理工藝參數

2 結果及分析

2.1 深冷處理對AerMet100超高強度鋼性能的影響

2.1.1 深冷處理對AerMet100超高強度鋼微觀組織的影響

圖1 AerMet100超高強度鋼的微觀組織 (1)工藝1；(2)工藝2；(a)OM圖；(b)SEM圖；(c)TEM圖 Fig.1 Microstructures of AerMet100 ultra-high strength steel (1)process 1;(2)process 2;(a)OM image;(b)SEM image;(c)TEM image

AerMet100超高強度鋼工藝1和工藝2的微觀組織如圖1所示。從圖1(a-1)，(a-2)可以看到，熱處理后的組織比較均勻，奧氏體晶界清晰，通過計算得到工藝1組織的有效晶粒尺寸為13.45μm，工藝2組織的有效晶粒尺寸為11.67μm。從圖1(b-1)，(b-2)可以看到，在原奧氏體晶界內分布著大小不等、取向不同的馬氏體束。從透射電鏡(圖1(c-1)，(c-2))中可以看到，組織主要是高密度位錯的板條馬氏體，每條馬氏體的寬度大小不一，馬氏體板條內存在少量孿晶。兩種工藝比較發現，工藝2組織的馬氏體板條較清晰，工藝1的組織略微雜亂，晶界稍模糊，可見深冷處理對組織優化有一定的作用。經測定，深冷前后殘余奧氏體的含量分別為4.15%和0.5%，說明深冷處理使馬氏體轉化更加完全。

2.1.2 深冷處理對AerMet100超高強度鋼動態力學性能的影響

工藝1和工藝2的真實應力-應變曲線分別如圖2和圖3所示。兩種工藝材料在應變率為0.001s-1時，在彈性階段隨著應變的增加流變應力呈線性迅速增加，達到某一個數值時，曲線的斜率逐漸變小，緊接著進入塑形流動階段，之后隨著應變的增加應力變化不大，加工硬化效應不明顯。當應變率在2000～3500s-1時，動態壓縮強度幾乎沒有變化，說明AerMet100超高強度鋼在此應變率范圍內沒有明顯的應變率硬化效應。但與準靜態條件下相比，其動態壓縮強度提高了30%左右，說明材料具有明顯的應變率硬化效應。同時可以看出，隨應變率的提高塑性階段流變應力的斜率(δσ/δε)逐漸減小。在動態壓縮過程中，隨應變率的提高試樣中產生的熱量會逐漸升高，在應變率較低時，試樣加載后產生的熱量較少，在變形中產生的熱軟化導致流變應力的下降不足以抵抗應變硬化導致流變應力的上升。此時，應變硬化占主導地位，表現在應力-應變曲線上δσ/δε>0，而隨著應變率的逐漸提高，加載過程中產生的熱量增加，在動態變形中熱軟化占主導，流變應力曲線逐漸變得“平坦”(斜率趨向于零)，如應變率在3300s-1的應力-應變曲線。這表明動態壓縮過程是一個應變硬化和熱軟化競爭的過程。

圖2 工藝1的真實應力-應變曲線Fig.2 True stress-strain curves of process =2000-3300s-1

圖3 工藝2的真實應力-應變曲線Fig.3 True stress-strain curves of process =2000-3500s-1

在應變率從2000s-1增加到3500s-1的過程中，兩種工藝材料的應變均逐漸增大，工藝1材料的最大應變約為0.20，工藝2材料的最大應變約為0.24；材料的動態壓縮強度值變化不大，工藝1材料約為2800MPa，工藝2材料約為2750MPa。工藝1材料在應變率為3300s-1下發生斷裂，應變為0.18；而工藝2材料在應變率為3500s-1下發生斷裂，應變為0.24。綜上所述，說明深冷處理使材料有著良好的動態塑性。

未經過深冷處理的材料馬氏體轉化不完全，含有較多的殘余奧氏體，雖然其為軟相，但由于AerMet100超高強度鋼屬于二次硬化鋼，在經482℃回火后會析出碳化物，使得碳化物中的Co，Mo，Ni等穩定元素含量減少，導致殘余奧氏體在回火過程中產生新的馬氏體，新生馬氏體比較脆，導致了塑性降低。而經過深冷處理后的組織雖然殘余奧氏體含量很低，但在回火過程中會生成逆轉奧氏體，從而提高了動態塑性。

2.2 回火溫度對AerMet100超高強度鋼性能的影響

2.2.1 回火溫度對AerMet100超高強度鋼微觀組織的影響

淬火態組織及六種不同回火溫度組織的SEM圖片如圖4所示。可知，經深冷處理后淬火態組織主要由馬氏體和少量殘余奧氏體組成(圖4(a))，可以看到原奧氏體晶界，在原奧氏體晶界內分布著大小不同、取向各異的馬氏體束。AerMet100超高強度鋼經不同溫度回火后，其組織主要是高位錯密度的板條馬氏體和少量逆轉奧氏體[7]；300℃回火后(圖4(b))，其組織與淬火態組織相比晶界模糊不清，回火馬氏體板條寬度變化不大，部分馬氏體邊界逐漸消失，并且開始析出碳化物；400℃和450℃回火后(圖4(c)，(d))，隨回火溫度的升高，組織中析出了大量的碳化物；482℃回火后(圖4(e))，馬氏體板條邊界比較清晰，析出的碳化物較細小；500℃回火后(圖4(f))，隨著回火溫度的繼續升高，析出的碳化物開始長大，有部分較大的碳化物顆粒，組織邊界變得不明顯；600℃回火后(圖4(g))，呈現部分粒狀和短棒狀組織，析出的碳化物繼續長大。

2.2.2 回火溫度對AerMet100超高強度鋼動態力學性能的影響

圖4 淬火態和不同回火溫度下AerMet100超高強度鋼的微觀組織 (a)淬火態組織;(b)300℃;(c)400℃;(d)450℃;(e)482℃;(f)500℃;(g)600℃Fig.4 Microstructures of AerMet100 ultra-high strength steel with quenching and at different tempering temperatures (a)quenching microstructure;(b)300℃;(c)400℃;(d)450℃;(e)482℃;(f)500℃;(g)600℃

為了更好地研究回火溫度對材料動態力學性能的影響規律，對相同應變率(3000s-1)下六種回火材料的真實應力-應變曲線進行比較，如圖6所示。可以看出，隨著回火溫度的升高，材料的動態壓縮強度依然在482℃時出現峰值，約為2750MPa，塑性應變在600℃時最大，約為0.28。600℃回火時，材料雖然塑性變形能力最好，但動態壓縮強度最低，僅為1750MPa，與482℃時相比低1000MPa，綜合性能不佳；482℃回火材料具有最高的動態壓縮強度，塑性應變在0.23左右，僅比600℃時低0.05左右，強韌性匹配良好，具有優良的綜合力學性能。

圖5 六種回火材料在高應變率=1000～4200s-1)下的真實應力-應變曲線 (a)300℃；(b)400℃；(c)450℃；(d)482℃；(e)500℃；(f)600℃Fig.5 The true stress-strain curves of six kinds of tempering materials in high strain =1000-4200s-1) (a)300℃;(b)400℃;(c)450℃;(d)482℃;(e)500℃;(f)600℃

綜上所述，在高應變率加載條件下，482℃回火時，強韌性匹配良好，材料的綜合性能最好。

對斷裂后的試樣進行觀察，發現六種回火試樣的斷裂形式均是剪切斷裂，形貌差別不大，圖7為AerMet100超高強度鋼600℃回火試樣的動態斷裂特征。試樣的宏觀斷裂形貌如圖7(a)所示，對回火組織進行絕熱剪切帶的觀察，剪切帶光鏡圖片如圖7(b)所示。可以看到剪切帶與中心軸線呈45°，這是由于在壓縮時，沿與軸向呈45°方向上的剪應力最大，故而容易在此方向上產生剪切帶，然后沿著最大剪應力方向向前擴展，擴展到一定程度時發生斷裂。

3 結論

(1)深冷處理可降低材料中殘余奧氏體的含量，提高其塑性，在高應變率(2000～3500s-1)條件下，動態壓縮強度保持在2800MPa左右，最大應變為0.24，故深冷處理有助于改善材料的綜合性能。

(2)AerMet100超高強度鋼動態下的最佳回火溫度為482℃。在高應變率下與準靜態相比表現出明顯的應變率硬化效應。隨著回火溫度的升高，材料的動態壓縮強度呈現先增大后減小的趨勢，在482℃時出現峰值，約為2800MPa，最大應變約為0.24，強韌性匹配良好，具有優良的綜合力學性能。

表3 不同回火材料動態力學性能參數

(3)在動態加載條件下，材料的斷裂形式均是剪切斷裂。在與軸向呈45°的最大剪應力方向上容易產生剪切帶。

圖6 六種回火材料在相同應變率下的 真實應力-應變曲線Fig.6 The true stress-strain curves of six kinds of tempering materials under the same strain rate

圖 7 AerMet100超高強度鋼600℃回火時材料的動態斷裂特征 (a)宏觀斷裂形貌;(b)ASB形貌Fig.7 Dynamic fracture characteristics of AerMet100 ultra-high strength steel after 600℃ tempering treatment (a)macro fracture morphology;(b)OM pattern of ASB

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Dynamic Mechanical Properties of AerMet100 Ultra-high Strength Steel

ZHANG Sheng-nan,CHENG Xing-wang

(China National Key Laboratory of Science and Technology on Materials Under Shock and Impact,School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

The AerMet100 ultra-high steel was cryogenic treated after quenched and then was tempered under different temperatures, the OM, SEM and TEM techniques were used to observe the microstructure after heat treatment. The effect of different heat treatments on the dynamic mechanical properties was investigated using the split Hopkinson pressure bar. The results indicate that the content of residual austenite is reduced, the dynamic plasticity is enhanced and the comprehensive properties are improved after cryogenic treatment. Under high strain rate (1000-4200s-1), compared with the quasi static, material shows strain rate hardening effect obviously. The dynamic compression strength increases initially and then decreases with increasing tempering temperature, the peak value of about 2800MPa appears when the tempering temperature is 482℃. The material fracture form is the shear fracture when the steel is under the dynamic loading.

AerMet100 ultra-high strength steel;dynamic mechanical property;cryogenic treatment;adiabatic sh-ear band

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.12.005

TG142.1

A

1001-4381(2015)12-0024-07

2014-11-28;

2015-03-30

程興旺(1976-)，男，副教授，博士生導師，現從事戰斗部材料設計理論與微結構控制等方面的研究，聯系地址：北京理工大學材料學院(100081)，E-mail：chengxw@bit.edu.cn