4Cr5MoSiV1熱作模具鋼的熱變形行為與熱加工圖

邱 宇,袁 飛, 曾元松,孟 強(qiáng),3,羅 銳,董繼紅,3,趙華夏,3

(1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院, 北京 100024；2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江212013；3.北京賽福斯特技術(shù)有限公司, 北京100024)

0 引 言

4Cr5MoSiV1熱作模具鋼是一種具有二次硬化效應(yīng)的高強(qiáng)度鋼，目前已廣泛應(yīng)用于熱擠壓以及熱鍛等模具的制造[1-2]。熱作模具鋼的服役環(huán)境極其惡劣，經(jīng)常在交變機(jī)械載荷、高溫、高壓以及熱沖擊等極端環(huán)境下作業(yè)[3-4]。4Cr5MoSiV1鋼較高的高溫強(qiáng)度和硬度可減少熱擠壓模具的變形和開裂傾向，良好的耐磨性能可延長(zhǎng)模具在摩擦磨損環(huán)境中的使用壽命[5]，優(yōu)良的抗冷熱疲勞能力、導(dǎo)熱性和韌性使其對(duì)劇烈的溫度變化具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力[6]。

目前，有關(guān)4Cr5MoSiV1鋼的研究主要集中在表面處理[7]、多元素共滲[8]、耐磨性能[9]、熱疲勞性能[10]以及熱加工[5,11]等方面，但在熱加工方面主要為熱加工工藝研究，有關(guān)熱加工性能的研究較少。研究4Cr5MoSiV1鋼的熱加工性能可為實(shí)際的熱加工工藝以及工程應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)和依據(jù)。本構(gòu)模型能夠有效地預(yù)測(cè)流變應(yīng)力，已普遍用于各類金屬及合金加工性能的研究[12-14]，其中應(yīng)用較廣泛的模型為Arrhenius本構(gòu)模型。此外，熱加工圖在耐熱鋼[15]、鎂合金[16]、鈦合金[17]等方面得到廣泛應(yīng)用，并通過顯微組織驗(yàn)證其有效性；金屬在熱鍛、熱軋等熱加工過程中極易發(fā)生開裂、絕熱剪切等失效行為[18]，為了減少鋼在熱加工過程中的失效，目前主要采用基于動(dòng)態(tài)材料模型(DMM)[19]的熱加工圖來描述金屬材料在熱變形過程中熱加工性、流變行為與變形參數(shù)的關(guān)系。基于上述研究結(jié)果，作者用Gleeble熱力模擬機(jī)對(duì)4Cr5MoSiV1熱作模具鋼進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，得到4Cr5MoSiV1鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線并觀察其顯微組織；基于應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)，構(gòu)建了0.3真應(yīng)變下的Arrhenius高溫本構(gòu)模型，并繪制了熱加工圖，預(yù)測(cè)了4Cr5MoSiV1鋼在不同條件下的變形抗力以及合理的熱加工區(qū)間。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為4Cr5MoSiV1鋼，其化學(xué)成分如表1所示。采用線切割方法在試驗(yàn)鋼上截取尺寸為φ8 mm×12 mm的圓棒試樣，用Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)圓棒試樣進(jìn)行單道次等溫壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中的真空度設(shè)置為1×10-3Pa，以防止試樣氧化；在試樣與壓縮砧頭之間加入鉭片，以減小試樣鼓肚效應(yīng)。熱壓縮工藝流程如圖1所示，變形溫度范圍為750～1 050 ℃，溫度間隔為50 ℃，應(yīng)變速

表1 4Cr5MoSiV1鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 熱壓縮工藝流程示意

率為0.001，0.01，0.1 s-1，變形量取32.97%(真應(yīng)變?yōu)?.4)。壓縮試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Leica-DMI8C型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：當(dāng)變形溫度為800 ℃、應(yīng)變速率為0.001 s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼組織中的碳化物在三叉晶界處偏析，鐵素體基體內(nèi)部均勻析出碳化物顆粒，組織中存在尺寸較小的等軸晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象較明顯，且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶多在三叉晶界等缺陷處形核；當(dāng)應(yīng)變速率增大到0.01 s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼中加工硬化占主導(dǎo)地位，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度較弱，因此組織中等軸晶較少；在高溫條件下，部分碳化物溶于基體而出現(xiàn)回溶現(xiàn)象，并且隨著溫度的升高，碳化物的回溶現(xiàn)象更加明顯，尺寸更加細(xì)小[20]，當(dāng)變形溫度升高到1 050 ℃時(shí)，碳化物非常細(xì)小、圓潤(rùn)且彌散分布。

2.2 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

由圖3可以看出：在變形初期，隨著真應(yīng)變的增加，試驗(yàn)鋼變形抗力迅速增大，具有顯著的加工硬化效應(yīng);在應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，曲線趨于平緩或呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)，這是由于變形產(chǎn)生的大量位錯(cuò)吸收了足夠的儲(chǔ)存能而發(fā)生交滑移以及位錯(cuò)抵消的現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)的形式發(fā)生軟化[21]。在變形溫度恒定且不超過900 ℃時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大，試驗(yàn)鋼的變形抗力顯著增大；在較低應(yīng)變速率下，試驗(yàn)鋼在達(dá)到峰值應(yīng)力后其應(yīng)力下降趨勢(shì)更加明顯。這是由于在較低的應(yīng)變速率(0.001 s-1)下，晶粒有充分的時(shí)間吸收能量；當(dāng)其儲(chǔ)存能超過再結(jié)晶勢(shì)壘后便會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而降低變形抗力，并且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)隨著應(yīng)變速率的減小而增加，變形抗力也隨之降低[22]。當(dāng)變形溫度超過900 ℃時(shí)，隨著變形溫度的升高，儲(chǔ)存能增大，試驗(yàn)鋼更容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得真應(yīng)力迅速達(dá)到峰值應(yīng)力而后趨于穩(wěn)定。當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著變形溫度的升高，變形抗力減小，這是由于在較高的溫度下，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更容易發(fā)生，軟化效果更加顯著。

圖2 4Cr5MoSiV1鋼在不同溫度和應(yīng)變速率下壓縮后的顯微組織

圖3 不同變形參數(shù)壓縮時(shí)4Cr5MoSiV1鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.3 高溫本構(gòu)模型的建立

為了預(yù)測(cè)不同變形參數(shù)下4Cr5MoSiV1鋼的變形抗力，構(gòu)建了4Cr5MoSiV1鋼在真應(yīng)變?yōu)?.3(穩(wěn)態(tài)應(yīng)力)下的雙曲正弦型Arrhenius高溫本構(gòu)方程[23-24]。Arrhenius高溫本構(gòu)方程的表達(dá)式為

(1)

式(1)中的冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)兩邊分別取自然對(duì)數(shù)，可得：

(2)

(3)

式(1)中的雙曲正弦函數(shù)兩邊分別取自然對(duì)數(shù)并變形，可得：

(4)

通過引入?yún)?shù)Z(Zener-Hollomon參數(shù))來描述溫度T與應(yīng)力σ之間的關(guān)系[28]。三者之間的關(guān)系表達(dá)式為

(5)

圖4 真應(yīng)變0.3條件下4Cr5MoSiV1鋼的本構(gòu)參數(shù)擬合曲線

在高溫低應(yīng)變速率下Z較小，反之則Z較大，因此在一定程度上Z可反映材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的程度。一般Z越小，材料越容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[22]。式(5)兩端取對(duì)數(shù)得：

lnZ=lnA+nln(sinhασ)

(6)

對(duì)lnZ與ln(sinhασ)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4(e)所示，得到線性相關(guān)系數(shù)R2為0.985 4，說明擬合準(zhǔn)確度較高;截距l(xiāng)nA為51.826 3，則材料常數(shù)A為3.22×1022。因此，在真應(yīng)變0.3下，4Cr5MoSiV1鋼的Arrhenius高溫本構(gòu)方程為

exp[-5.945 23×105/(8.314T)]

(7)

2.4 熱加工圖

根據(jù)DMM理論[19]，功率耗散指數(shù)η和應(yīng)變速率敏感指數(shù)m的表達(dá)式分別為

η=J/Jmax=2m/(m+1)

(8)

(9)

式中：J為耗散協(xié)量；Jmax為理想線性耗散協(xié)量；G為由塑性變形引起的能量耗散。

將不同變形溫度和真應(yīng)變下的應(yīng)力和應(yīng)變速率取對(duì)數(shù)，進(jìn)行3次擬合后，求出m，從而得到不同真應(yīng)變下的η，進(jìn)而繪制出的真應(yīng)變0.25下試驗(yàn)鋼的三維功率耗散圖和二維功率耗散圖,如圖5所示。圖5(b)中等值線上的數(shù)字即為η值，箭頭的指向代表η增加的方向。η能有效反映材料在不同變形條件下的組織演變規(guī)律。η峰值(0.36)區(qū)域?qū)?yīng)的熱加工參數(shù)為變形溫度835～865 ℃、應(yīng)變速率0.001 0～0.001 3 s-1；該區(qū)域可能是4Cr5MoSiV1鋼在真應(yīng)變0.25下容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化行為的熱加工窗口，但需結(jié)合流變失穩(wěn)圖以及顯微組織進(jìn)行確認(rèn)。

圖5 4Cr5MoSiV1鋼在真應(yīng)變0.25下的功率耗散圖

圖7 4Cr5MoSiV1鋼在真應(yīng)變0.25,0.35下的熱加工圖

(10)

圖6 4Cr5MoSiV1鋼在真應(yīng)變0.25下的流變失穩(wěn)圖

通過疊加功率耗散圖和流變失穩(wěn)圖獲取4Cr5MoSiV1鋼在真應(yīng)變0.25下的熱加工圖，并采用相同方法得到4Cr5MoSiV1鋼在0.35下的熱加工圖。由圖7可知，4Cr5MoSiV1鋼的合理熱加工區(qū)間為變形溫度900～1 050 ℃、應(yīng)變速率0.001～0.01 s-1，4Cr5MoSiV1鋼的流變失穩(wěn)面積與功率耗散指數(shù)隨真應(yīng)變的增大基本不變；功率耗散峰值區(qū)域出現(xiàn)在變形溫度840～860 ℃、應(yīng)變速率0.001 s-1處，但結(jié)合流變曲線可知，該條件下的變形抗力較大，且結(jié)合失穩(wěn)圖可知該區(qū)域有失穩(wěn)傾向，因此該區(qū)域不宜作為加工區(qū)域。結(jié)合顯微組織分析可知，4Cr5MoSiV1鋼真正合理的熱加工區(qū)間為變形溫度1 050 ℃、應(yīng)變速率0.001～0.01 s-1，此時(shí)組織中碳化物細(xì)小且彌散分布，第二相強(qiáng)化效果顯著，力學(xué)性能良好[20]。

3 結(jié) 論

(1) 在熱壓縮過程中，隨著真應(yīng)變的增加，4Cr5MoSiV1鋼的變形抗力迅速增大，在應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，真應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃筅呌谄骄徎虺尸F(xiàn)輕微下降趨勢(shì)；4Cr5MoSiV1鋼的變形抗力隨變形溫度的升高或應(yīng)變速率的降低而顯著降低。

(3) 在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，4Cr5MoSiV1鋼合理的熱加工區(qū)間為變形溫度1 050 ℃、應(yīng)變速率0.0010.01 s-1，此時(shí)組織中碳化物細(xì)小且彌散分布，第二相強(qiáng)化效果顯著。