超高強高韌馬氏體時效鋼熱變形及航天應用研究

李 輝，鹿啟棟，張大偉，黃順喆

(1. 上海航天精密機械研究所，上海 201600； 2. 鋼鐵研究總院，北京 100044)

馬氏體時效鋼自20世紀60年代由國際鎳公司開發后，一直是各國材料學者的研究熱點之一。蘇聯和德國于20世紀60年代同步開展相關研究；日本于20世紀70年代開始對其進行深入研究；我國于20世紀60年代后期開始研制，最初以仿制18Ni系馬氏體時效鋼為主，到了20世紀70年代中期開始研究更高級別的鋼種及無鈷(Co)或節Co馬氏體時效鋼，陸續開發了高彈性馬氏體時效鋼和馬氏體時效不銹鋼等品種[2]。

馬氏體時效鋼的基體為Fe-Ni馬氏體，可通過調整鋼中Co，Mo，Ti含量得到屈服強度分別為1 400 MPa(C200)，1 700 MPa(C250)，1 900 MPa(C300)的18Ni系馬氏體時效鋼[1-3]。后期研究者們還探索研究了屈服強度達2 400 MPa(C350)，2 800 MPa(C400)，3 500 MPa(C500)的馬氏體時效鋼，不過后2個強度級別的鋼由于韌性太低，生產工藝過于復雜而沒有得到實際應用。18Ni系馬氏體時效鋼具有強度高、韌性好、熱處理簡單、焊接性能好、冷熱加工性能好等優點，已在航天火箭發動機殼體、導彈殼體、導彈陀螺儀表內外撓性接頭、直升飛機起落架、高壓容器、扭力轉動軸、飛機用高強度齒輪、軸承、緊固件、彈簧，以及鋁合金擠壓模和壓件模、精密模具等領域得到廣泛應用[4-6]。

美國“土星”助推器、日本M5、印度SLV-5，以及PSLV等航天發動機殼體材料均采用18Ni馬氏體時效鋼。目前航天領域應用最廣泛的馬氏體時效鋼主要為C200，C250兩種強度等級，然而隨著航天火箭技術的快速發展，發動機殼體材料也面臨著強度等級低、強韌性匹配亟待提高的問題。抗拉強度≥2 000 MPa、屈服強度≥1 900 MPa、斷裂韌性≥70 MPa·m1/2的C300馬氏體時效鋼隨之成為航天發動機殼體材料工程應用研究的熱點。

國內外對18Ni系列馬氏體時效鋼的時效強化機理、晶粒長大動力學、循環相變特性、疲勞破壞特性、磁滯性能、焊接性能等方面的研究較為深入[5-9]。近年來，在晶粒超細化工藝[5]、無Co/節Co馬氏體時效鋼開發[7]、高純凈冶金工藝、更高強度等級馬氏體時效鋼的工程化應用研究[9]取得了不小進展。但針對屈服強度為1 900 MPa的C300馬氏體時效鋼的加工性能研究及工程應用還鮮見報道，為了推動我國航天用超高強高韌C300馬氏體時效鋼的應用，本文選取C300鋼的熱變形加工性能作為研究內容，深入研究高純凈18Ni系馬氏體時效鋼C300的高溫熱變形行為，提出C300鋼的最佳熱加工窗口，為C300鋼的工業生產提供理論指導。

1 試驗材料及方法

試驗用馬氏體時效鋼(后簡稱C300鋼)采用雙真空工藝冶煉，其化學成分(質量分數，%)為： 18.57Ni，4.79Mo，8.99Co，0.68Ti，0.11Al，66.86Fe。鋼錠經高溫擴散退火后，鍛造成材，將試樣加工成尺寸為φ10 mm×15 mm的圓柱形壓縮試樣后，在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行軸向壓縮試驗，如圖1所示。

圖1 熱壓縮試樣的安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation ofthermal compression specimens

圖2 熱變形試驗工藝曲線Fig.2 Thermal deformation test process curve

2 試驗結果與分析

2.1 高溫流變曲線及變形組織

綜上可知，在高溫變形過程中，試驗鋼的流變應力隨著變形溫度的降低和應變速率的增大而提高。在同等的應變速率下，變形溫度越高，試驗鋼中位錯活性提高、滑移系增多，大大降低晶界切變抗力，晶界滑移量增大，試樣的軟化速率加快，峰值應力和穩態流變應力逐漸降低，峰值應變也隨著變形溫度的升高而逐漸減小；在同等的變形溫度下，加工硬化率隨著應變速率增加而提高，峰值應力和穩態流變應力也隨之提高[10]。在熱變形過程中，試驗鋼獲得等軸、細小的再結晶晶粒的最佳變形溫度范圍為1 050～1 150 ℃。

圖3 試驗用C300鋼在不同應變速率下的高溫流變曲線Fig.3 High temperature rheological curves of C300 steel used for test under different deformation conditions

圖4 變形溫度T=1 050 ℃時，不同應變速率下的試驗鋼的金相組織Fig.4 Metallographic structures of test steel at different strain rates when deformation temperature is 1 050 ℃

圖5 變形溫度T=1 150 ℃時, 不同應變速率下的試驗鋼的金相組織Fig.5 Metallographic structures of test steel at different strain rates when deformation temperature is 1 150 ℃

2.2 熱變形方程

材料強度的提高會降低塑性和韌性，而細晶強化是唯一可以在提高強度的同時還能保持較高韌性的有效手段。利用熱變形過程中的動態再結晶，或隨后的靜態再結晶均能使材料晶粒得到有效的細化[11-13]。此外，熱變形還是一種重要的成型手段，不僅可以使材料的利用率和生產效率提高、能耗降低，而且還可以控制材料的微觀組織和性能，獲得組織均勻和性能穩定的工件[14-15]。超高強高韌C300鋼由于合金程度高，高溫變形抗力、動態再結晶等熱變形行為發生了很大改變，要保證材料在熱加工后獲得所要求的組織結構及良好的綜合性能，就要解決高溫變形過程中最佳工藝參數問題。

(1)

圖6 峰值應力與變形溫度關系Fig.6 Relation between peak stress and strain rate

式中：σ為峰值應力σp，或穩定狀態流變應力σs，或相應于某指定應變量之流變應力，本文中σ=σp；R為氣體常數；Q為控制軟化過程的激活能；A，n，α為相關常數。

在低應力時，式(1)可簡化為

(2)

在高應力時，式(1)可簡化為

(3)

其中，常數α，β及n′之間滿足α=β/n′。對式(2)和式(3)兩邊分別取對數并整理可得

(4)

(5)

對式(1)兩邊取自然對數，可得

(6)

當變形溫度恒定時，式(6)兩邊對應變速率求偏導，得

(7)

當變形速率恒定時，式(6)兩邊對1/T求偏導，得

(8)

圖7 峰值應力與應變速率和變形溫度的關系Fig.7 Relationships between peak stress and strain rate and between peak stress and deformation temperature

根據圖3中的高溫流變曲線數據，峰值應力與應變速率和變形溫度之間的關系曲線如圖7所示。

通過線性回歸，可得：n=6.552；Q=391.2 kJ/mol；A=5.377 5×1014。將上述結果代入式(1)中，可建立C300馬氏體時效鋼的熱變形方程為

(9)

變形溫度及應變速率對熱變形過程的綜合作用通常用Z參數(Zener-Hollomom因子)來表征。在熱變形過程中有[18-19]

(10)

通過已求得的熱變形激活能Q，便可以計算得到不同變形條件下試驗鋼的Z參數。可以看出，隨著Z值的增加，試驗鋼熱變形過程中的峰值應力相應增加，且lnZ與ln(sinh(ασp))呈線性關系，相關系數可達到0.97，如圖8所示。

圖8 ln(sinh(ασp))與ln Z關系Fig.8 Relationship between ln(sinh(ασp)) and ln Z

3 結論

晶粒細化是一種同時提高18Ni系馬氏體時效鋼強度和塑性的有效手段，對于航天用超高強高韌C300馬氏體時效鋼來說，熱加工過程獲得等軸細小的再結晶晶粒是實現該鋼強韌性最佳匹配的關鍵環節，后續將進一步探索C300鋼晶粒超細化工藝、低成本無鈷超高強度馬氏體時效鋼以及強韌化機理。