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,3,羅 銳,董繼紅,3,趙華夏,3

(1.中國航空制造技術研究院, 北京 100024；2.江蘇大學材料科學與工程學院, 鎮江212013；3.北京賽福斯特技術有限公司, 北京100024)

0 引 言

4Cr5MoSiV1熱作模具鋼是一種具有二次硬化效應的高強度鋼，目前已廣泛應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境極其惡劣，經常在交變機械載荷、高溫、高壓以及熱沖擊等極端環境下作業[3-4]。4Cr5MoSiV1鋼較高的高溫強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模具在摩擦磨損環境中的使用壽命[5]，優良的抗冷熱疲勞能力、導熱性和韌性使其對劇烈的溫度變化具備較強的適應能力[6]。

目前，有關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，有關熱加工性能的研究較少。研究4Cr5MoSiV1鋼的熱加工性能可為實際的熱加工工藝以及工程應用提供科學指導和依據。本構模型能夠有效地預測流變應力，已普遍用于各類金屬及合金加工性能的研究[12-14]，其中應用較廣泛的模型為Arrhenius本構模型。此外，熱加工圖在耐熱鋼[15]、鎂合金[16]、鈦合金[17]等方面得到廣泛應用，并通過顯微組織驗證其有效性；金屬在熱鍛、熱軋等熱加工過程中極易發生開裂、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態材料模型(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的關系。基于上述研究結果，作者用Gleeble熱力模擬機對4Cr5MoSiV1熱作模具鋼進行熱壓縮試驗，得到4Cr5MoSiV1鋼的真應力-真應變曲線并觀察其顯微組織；基于應力與應變數據，構建了0.3真應變下的Arrhenius高溫本構模型，并繪制了熱加工圖，預測了4Cr5MoSiV1鋼在不同條件下的變形抗力以及合理的熱加工區間。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為4Cr5MoSiV1鋼，其化學成分如表1所示。采用線切割方法在試驗鋼上截取尺寸為φ8 mm×12 mm的圓棒試樣，用Gleeble-3500型熱模擬試驗機對圓棒試樣進行單道次等溫壓縮試驗。試驗過程中的真空度設置為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。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 ℃，應變速

表1 4Cr5MoSiV1鋼的化學成分(質量分數)

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%(真應變為0.4)。壓縮試驗結束后，對試樣進行打磨、拋光，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Leica-DMI8C型光學顯微鏡觀察顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：當變形溫度為800 ℃、應變速率為0.001 s-1時，試驗鋼組織中的碳化物在三叉晶界處偏析，鐵素體基體內部均勻析出碳化物顆粒，組織中存在尺寸較小的等軸晶，動態再結晶現象較明顯，且動態再結晶多在三叉晶界等缺陷處形核；當應變速率增大到0.01 s-1時，試驗鋼中加工硬化占主導地位，動態再結晶程度較弱，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回溶現象，并且隨著溫度的升高，碳化物的回溶現象更加明顯，尺寸更加細小[20]，當變形溫度升高到1 050 ℃時，碳化物非常細小、圓潤且彌散分布。

2.2 真應力-真應變曲線

由圖3可以看出：在變形初期，隨著真應變的增加，試驗鋼變形抗力迅速增大，具有顯著的加工硬化效應;在應力達到峰值應力后，曲線趨于平緩或呈現輕微下降趨勢，這是由于變形產生的大量位錯吸收了足夠的儲存能而發生交滑移以及位錯抵消的現象，導致試驗鋼以動態再結晶和動態回復的形式發生軟化[21]。在變形溫度恒定且不超過900 ℃時，隨著應變速率的增大，試驗鋼的變形抗力顯著增大；在較低應變速率下，試驗鋼在達到峰值應力后其應力下降趨勢更加明顯。這是由于在較低的應變速率(0.001 s-1)下，晶粒有充分的時間吸收能量；當其儲存能超過再結晶勢壘后便會發生動態再結晶而降低變形抗力，并且動態再結晶晶粒的體積分數隨著應變速率的減小而增加，變形抗力也隨之降低[22]。當變形溫度超過900 ℃時，隨著變形溫度的升高，儲存能增大，試驗鋼更容易發生動態再結晶，使得真應力迅速達到峰值應力而后趨于穩定。當應變速率一定時，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，動態回復和動態再結晶更容易發生，軟化效果更加顯著。

圖2 4Cr5MoSiV1鋼在不同溫度和應變速率下壓縮后的顯微組織

圖3 不同變形參數壓縮時4Cr5MoSiV1鋼的真應力-真應變曲線

2.3 高溫本構模型的建立

為了預測不同變形參數下4Cr5MoSiV1鋼的變形抗力，構建了4Cr5MoSiV1鋼在真應變為0.3(穩態應力)下的雙曲正弦型Arrhenius高溫本構方程[23-24]。Arrhenius高溫本構方程的表達式為

(1)

式(1)中的冪函數和指數函數兩邊分別取自然對數，可得：

(2)

(3)

式(1)中的雙曲正弦函數兩邊分別取自然對數并變形，可得：

(4)

通過引入參數Z(Zener-Hollomon參數)來描述溫度T與應力σ之間的關系[28]。三者之間的關系表達式為

(5)

圖4 真應變0.3條件下4Cr5MoSiV1鋼的本構參數擬合曲線

在高溫低應變速率下Z較小，反之則Z較大，因此在一定程度上Z可反映材料發生動態再結晶的程度。一般Z越小，材料越容易發生動態再結晶[22]。式(5)兩端取對數得：

lnZ=lnA+nln(sinhασ)

(6)

對lnZ與ln(sinhασ)進行擬合，結果如圖4(e)所示，得到線性相關系數R2為0.985 4，說明擬合準確度較高;截距lnA為51.826 3，則材料常數A為3.22×1022。因此，在真應變0.3下，4Cr5MoSiV1鋼的Arrhenius高溫本構方程為

exp[-5.945 23×105/(8.314T)]

(7)

2.4 熱加工圖

根據DMM理論[19]，功率耗散指數η和應變速率敏感指數m的表達式分別為

η=J/Jmax=2m/(m+1)

(8)

(9)

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

將不同變形溫度和真應變下的應力和應變速率取對數，進行3次擬合后，求出m，從而得到不同真應變下的η，進而繪制出的真應變0.25下試驗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律。η峰值(0.36)區域對應的熱加工參數為變形溫度835～865 ℃、應變速率0.001 0～0.001 3 s-1；該區域可能是4Cr5MoSiV1鋼在真應變0.25下容易發生動態再結晶軟化行為的熱加工窗口，但需結合流變失穩圖以及顯微組織進行確認。

圖5 4Cr5MoSiV1鋼在真應變0.25下的功率耗散圖

圖7 4Cr5MoSiV1鋼在真應變0.25,0.35下的熱加工圖

(10)

圖6 4Cr5MoSiV1鋼在真應變0.25下的流變失穩圖

通過疊加功率耗散圖和流變失穩圖獲取4Cr5MoSiV1鋼在真應變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鋼的合理熱加工區間為變形溫度900～1 050 ℃、應變速率0.001～0.01 s-1，4Cr5MoSiV1鋼的流變失穩面積與功率耗散指數隨真應變的增大基本不變；功率耗散峰值區域出現在變形溫度840～860 ℃、應變速率0.001 s-1處，但結合流變曲線可知，該條件下的變形抗力較大，且結合失穩圖可知該區域有失穩傾向，因此該區域不宜作為加工區域。結合顯微組織分析可知，4Cr5MoSiV1鋼真正合理的熱加工區間為變形溫度1 050 ℃、應變速率0.001～0.01 s-1，此時組織中碳化物細小且彌散分布，第二相強化效果顯著，力學性能良好[20]。

3 結 論

(1) 在熱壓縮過程中，隨著真應變的增加，4Cr5MoSiV1鋼的變形抗力迅速增大，在應力達到峰值應力后，真應力隨應變增大趨于平緩或呈現輕微下降趨勢；4Cr5MoSiV1鋼的變形抗力隨變形溫度的升高或應變速率的降低而顯著降低。

(3) 在試驗參數范圍內，4Cr5MoSiV1鋼合理的熱加工區間為變形溫度1 050 ℃、應變速率0.0010.01 s-1，此時組織中碳化物細小且彌散分布，第二相強化效果顯著。