Aermet100鋼熱變形行為研究

白克非

（中國航空發動機集團有限公司，北京 100097）

隨著國先進航空、航天領域發展，AerMet100鋼就是在這種對航空、航天材料的超高強度性提出更高的要求的情況下研發的，它的發現是對史上材料的一個突破。我國飛機的起落架主要是由低合金超高強度鋼制造而成的，國內的Aermet100鋼主要是參照美國Aermet100鋼的化學成分、冶煉工藝及熱處理制度標準而仿制成功的一類二次硬化型超高強度鋼。該鋼含有較高的Co、Ni合金元素，名義成分為23Co14Ni12Cr3Mo，具有較好的綜合力學性能，拉伸強度達到1931～2069 MPa，斷裂韌性達到KIC≥120 MPa m1/2。是我國第四代先進戰機起落架和國防尖端武器裝備的首選材料[1～3]。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

本實驗材料為AerMet100鋼鑄錠，使用熱模機對AerMet100鋼試樣進行熱壓縮實驗。試樣為直徑8 mm×高度12 mm的圓柱棒。實驗時對試樣端面進行石墨片潤滑其目的是可以有效的減小試樣端面與機器造成的摩擦，從而達到減少試樣變形時的不均勻性，避免造成過大的凸肚現象。Aemet100鋼典型化學成分如表1所示。

表1 Aemet100鋼典型化學元素含量

1.2 實驗方法

實驗方法是分析AerMet100鋼熱變形過程，獲得應力-應變曲線及原始數據，根據AerMet100超高強度鋼分析真應力-應變曲線，分析該鋼在高溫下的流變應力特性。

1.2.1 熱壓縮試驗

本實驗采用是Gleeble-3500動態熱模擬實驗機。此設備可以熱壓縮過程中同時同步記錄應力、應變、溫度等參數變化的曲線功能。

實驗時將Φ8mm×12mm圓柱形Aemet100鋼試樣進行熱壓縮實驗，試樣加熱速度為10℃/s。保溫時間為5 min。試樣熱壓縮變形后用迅速水冷卻以保持高溫奧氏體組織。

整個熱壓縮實驗過程中包括，加熱、保溫、壓縮、冷卻四個階段，全部的的溫度控制路線圖，如下圖1所示。

圖1 壓縮過程中溫度控制示意圖

1.2.2 實驗參數

實驗數據具體如下表2、表3、表4所示。

表2 第一組試樣編號及變形條件

表3 第二組試樣編號及變形條件

表4 第三組試樣編號及變形條件

2 AerMet100鋼熱變形行為

2.1 AerMet100鋼的應力-應變曲線

對采集完成的數據進行繪制得到的各組真應力-真應變曲線如圖2、圖3、圖4所示[4]。

圖2 第一組真應力-真應變曲線（）

圖3 第二組真應力-真應變曲線（）

（a）930℃ （b）960℃

圖4 第三組真應力-真應變曲線（））

從整體上看Aemet100鋼的應力-應變曲線在所有熱變形條件下都是，真應力在變形初始階段隨真應變的增加而以一種極快的速度上升，達到拐點后卻出現了三種完全不同的反應[5]。第一組的在熱變形溫度為800、830℃下和溫度為860、890、920℃應變速率為0.1、1、10 s-1等高應變速率條件下，隨真應變的增加真應力呈現出緩慢的上升直至變形結束的情況，這表明此時Aemet100鋼明顯受到加工硬化作用的影響。

第二種像第一組的在熱變形溫度為在變形溫度為890、920℃應變速率為0.01、0.05、0.1 s-1等低應變速率和第二組的在熱變形溫度為990、1020、1050℃的0.01、0.05 s-1等低應變速率下，隨真應變的增加真應力呈現出緩慢的上升達到峰值后開始趨于平緩直至結束，這種情況的平穩態流變應力與峰值應力是相等的，它說明此時試樣內部的動態軟化作用接近加工硬化作用使得真應變保持平衡。其真應力-真應變曲線表現出動態回復特征。高應變速率情況下，隨真應變的增加真應力呈現出緩慢的上升達到峰值后開始逐漸緩慢的下降直至變形結束，說明曲線明顯受到動態再結晶作用的影響。不同組不同溫度對峰值應力的影響如圖5所示。

圖5 溫度-峰值應力

在應變速率和變形量相同時，當變形溫度的降低，流變應力相應增大，并且在相同溫度間隔區間，低溫段的峰值應力差值要大于高溫段峰值應力差值。并且當應變速率保持恒定時，溫度對合金真應力-真應變曲線的影響要比應變速率較大，在高溫下，Aemet100鋼的峰值應力與穩態應力基本相等，差值很小。表現出真應力-真應變曲線相對平穩。

從圖中可以看出在，更高應變速率下隨著變形溫度的增加峰值應力的降低更快。并且不同應變速率情況下的峰值應力降低程度也隨這溫度的升高而減小。在這種溫度不變的情況下，峰值應力隨應變速率的減小而下降的情況說明了Aemet100鋼屬于正應變速率敏感型材料。

對于第一組：800℃時不同應變速率條件下應力峰值如下表5。第一組所有溫度時不同應變速率條件下應力峰值如下圖6。從表中可以看出，在800℃條件下，Aemet100鋼隨著應變速率的增大峰值應力同樣增大。從圖中可以看出，在800、830、860、890、920℃下峰值應力隨應變速率變化的趨勢與800℃條件下的變化趨勢相同。

表5 800℃時不同應變速率下的峰值應力

圖6 第一組不同應變速率與峰值應力的關系

對于第二組：930℃時不同應變速率條件下應力峰值如下表6。第二組所有溫度時不同應變速率條件下應力峰值如下圖7。從表中可以看出，在930℃條件下，Aemet100鋼隨著應變速率的增大峰值應力同樣增大。從圖中可以看出，在930、960、990、1020、1050℃下峰值應力隨應變速率變化的趨勢與930℃條件下的變化趨勢相同。

表6 30℃時不同應變速率下的峰值應力

圖7 第二組不同應變速率與峰值應力的關系

對于第三組：1080℃時不同應變速率條件下應力峰值如下表7。第三組所有溫度時不同應變速率條件下應力峰值如下圖8。從表中可以看出，在1080℃條件下，Aemet100鋼隨著應變速率的增大峰值應力同樣增大。從圖中可以看出，在1080、1100、1130、1160、1200℃下峰值應力隨應變速率變化的趨勢與1080℃條件下的變化趨勢相同。

表7 1080℃時不同應變速率下的峰值應力

圖8 第三組不同應變速率與峰值應力的關系

從整體上可以得出Aemet100鋼熱變形是溫度一定條件下，峰值應力隨應變速率增加而升高。

2.2 Aemet100鋼應變速率敏感性指數m值的計算

位錯運動直接影響實際金屬的屈服強度。而金屬所受阻力、化學成分、組織結構等等又直接影響到位錯運動的進行。m為金屬塑性變形時金屬的流變應力對應變速率的敏感性參數，即當應變速率增大時金屬向強化傾向行動的參數，稱為其應變速率敏感性指數。m是金屬的重要動力學參數之一，所以研究m參數對該鋼熱變形影響而描述金屬材料的變形行為，可以為設計工藝時參數的選定提供重要的參考。

圖9 不同組ln與的關系

取不同溫度下對應的五條-曲線的斜率為Aemet100鋼的應變速率敏感性指數填入如表8、9、10中。從表8、9、10可以看出，該三組Aemet100鋼的m值隨溫度的升高而增大，這說明隨溫度的升高Aemet100鋼的塑性變得越來越好。

表8 第一組不同溫度下Aemet100鋼的m值

表9 第二組不同溫度下Aemet100鋼的m值

表10 第三組不同溫度下Aemet100鋼的m值

3 結論

根據采集得到的實驗數據，分析并獲得的Aemet100鋼熱變形行主要結論如下：Aemet100鋼熱變形時的峰值應力與應變速率成正比關系，而與溫度成反比關系。這表明Aemet100鋼是具有負的溫度敏感性和正的應變速率敏感性材料。