工程機械用Q690鋼的熱變形行為

王程明, 楊 浩

(河鋼材料技術研究院, 石家莊 050000)

工程機械用鋼廣泛應用于汽車、航空、機械、海洋等領域，由于工作環境惡劣，且近年來隨著各領域對工程機械用鋼的需求量大幅增加，工程機械用鋼不斷向綜合性能更好的方向發展,尤其要具備優良的熱加工性能。不少學者對工程機械用Q690鋼[1-2]的耐磨損性能、焊接性能、塑性、韌性以及新品種研發等方面進行了大量研究，但對該材料高溫熱變形方面的研究相對較少。

筆者采用Gleeble3800型熱模擬試驗機對工程機械用Q690鋼進行高溫壓縮試驗，建立了材料的真應力-真應變曲線，分析了變形溫度和應變速率對Q690鋼熱變形行為的影響，構建了材料的熱變形方程和熱加工圖，并觀察了不同熱變形條件下材料的顯微組織，結果可為確定合適的熱加工參數提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料為某廠真空爐冶煉的工程機械用Q690鋼，該鋼的化學成分如表1所示。

表1 工程機械用Q690鋼的化學成分 %

將材料線切割加工成尺寸為10 mm×15 mm(直徑×高度)的標準圓柱試樣，利用Gleeble3800型熱模擬試驗機對試樣進行高溫壓縮試驗，試驗過程中，為避免試樣發生氧化，將試驗腔抽真空結束后充入氬氣，使整個試驗均在保護氣氛中。

具體試驗工藝為：將試樣以10 ℃/s的速率升溫至1 200 ℃，保溫3 min后，以5 ℃/s的速率降溫至變形溫度，即1 150，1 100，1 050，1 000，950，900，850 ℃，保溫30 s，分別以0.01，0.1，1，10 s-1的應變速率進行50%的壓縮變形。變形結束后，為保留原組織，對試樣進行快速水冷；將變形后的試樣沿軸向切割，制成金相試樣，經研磨、拋光后，用過飽和三硝基苯酚和適量洗發水進行腐蝕，為避免過度腐蝕，要不時地將試樣從溶液中拿出，并用脫脂棉擦拭可能存在的殘留劑，最后采用光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

2 試驗結果與分析

2.1 Q690鋼的真應力-真應變曲線

Q690鋼在不同變形溫度和應變速率下的真應力-真應變曲線如圖1所示，由圖1可以看出：在不同變形條件下，Q690鋼的流變應力均隨溫度的降低和應變速率的升高而增加。在溫度為1 150 ℃，應變速率為0.01 s-1的高變形溫度、低應變速率條件下，Q690鋼呈現出明顯的動態再結晶現象，在流變應力曲線上表現為流變應力先增加后降低，最后趨于平穩，有明顯的峰值應力；而在高應變速率、低變形溫度下，Q690鋼呈現出明顯的動態回復現象，流變應力曲線并沒有明顯的峰值應力，該條件下Q690鋼不易發生動態再結晶，如溫度為850 ℃，應變速率為10 s-1的熱變形條件。

圖1 Q690鋼在不同變形溫度和應變速率下的真應力-真應變曲線

在同一應變速率下，Q690鋼流變應力隨變形溫度的升高而降低，這是因為溫度越高，材料的熱激活能就越強，原子有了足夠的活動能，晶界阻力降低，導致流變應力減小。

在同一變形溫度下，Q690鋼流變應力隨應變速率的升高而增加，這一現象是由位錯密度增加導致的。應變速率增大不僅使得位錯密度增加，變形受到阻礙，而且會縮短動態再結晶時間，阻礙再結晶發生，導致流變應力增加。

2.2 Q690鋼的熱變形本構方程

熱變形本構方程是描述材料變形行為的重要數學模型，闡述了應力應變、應變速率以及溫度之間的關系，本構方程的建立對建立數值模擬模型具有重要意義。

為建立Q690鋼的熱變形本構方程，采用SELLARS提出的雙曲正弦模型[3-6]來表達，如式(1)所示。

(1)

將式(1)兩邊取對數，得到

(2)

圖2 ln sinh(ασp)與和的關系曲線

對式(1)進行變換，即可得到Zener-Hollomon(Z)參數的表達式，可用來描述變形溫度與應變速率之間的關系，如式(3)所示。

Z=A[sinh(ασp)]n

(3)

對式(3)兩邊求導，可得到lnZ與ln sinh(ασp)的關系曲線(見圖3)，對式(3)進行線性擬合，可得到A=5.821 4×1015。

圖3 lnZ與ln sinh(ασp)的關系曲線

綜上可得出Q690鋼的熱變形本構方程為

(4)

2.3 熱加工圖的建立

熱加工圖是評定材料可加工性能的重要依據，可用來選擇變形工藝參數和改善材料的加工性能。研究人員建立了基于動態材料模型的熱加工圖[7-15]，認為材料變形所消耗的總功率P由塑性變形產生的耗散量G以及變形過程中組織演變產生的耗散協量J組成，P的表達式如式(5)所示。

(5)

G和J的比值為應變速率敏感因子m，可由式(6)表示。

(6)

功率耗散因子η表示變形過程中顯微組織變化耗散量占總耗散量的比值，一般η越大，表明此區域越穩定，材料可加工性越好，η可由式(7)表示。

(7)

(8)

圖4為Q690鋼在真應變為0.5時得到的熱加工圖，圖中等高線上的數值就是不同熱變形條件下的η，陰影部分表示Q690鋼的失穩區域，白色部分表示Q690鋼的安全區域。從圖4可以看出：試驗得到的0.5真應變下的熱加工圖在整個溫度范圍內均存在失穩區，尤其是應變速率為1 s-1時，各個溫度區域均失穩，且η隨變形溫度和應變速率的變化而變化；當變形溫度升高或應變速率降低時，Q690鋼的η會隨之增大， 反之則減小；當Q690鋼在溫度為850～930 ℃，應變速率為1 ～ 10 s-1時，該區域的η較小，最大為0.11，說明不適合在該區域內進行加工；當Q690鋼在溫度為1 000 ～ 1 150 ℃，應變速率為0.06 ～ 0.12 s-1時，η雖然由0.11增加到0.27，但其處于失穩區域，在此區域的加工性能依然較差；當Q690鋼處于1 080～1 150 ℃，應變速率為0.01～0.3 s-1時，Q690鋼的η較高，最小為0.3，最大為0.39，此區域為Q690鋼的安全區域，材料性能穩定，可加工性能較好。在實際熱加工過程中，應盡量避免失穩區域，要選擇相對安全的加工區域對材料進行加工。

圖5為不同熱變形條件下Q690鋼的顯微組織形貌。從圖5a)可知，在溫度為850 ℃，應變速率為10 s-1的變形條件下，Q690鋼的顯微組織為粗大的奧氏體晶粒，且晶粒被明顯拉長，沒有發生動態再結晶，對應圖4可看出，此時材料處于失穩區，功率耗散值較低。從圖5b)可知，在溫度為950 ℃，應變速率為1 s-1的變形條件下，隨溫度的升高，應變速率降低，被拉長的晶粒得到緩解，并開始向動態再結晶的趨勢發展，但仍以動態回復為主，此狀態的η只有0.15，組織還是失穩狀態。從圖5c)可知，若進一步提高變形溫度至1 050 ℃，降低應變速率至0.1 s-1，此時組織為等軸狀的再結晶晶粒，說明已發生明顯的動態再結晶現象，材料處于穩定區，功率耗散值η也增大至0.35。從圖5d)可知，當溫度繼續升高至1 150 ℃，應變速率降至0.01 s-1時，組織仍為均勻的等軸狀再結晶晶粒，只是晶粒開始變大，結合圖4可以看出，此時材料的η達到峰值0.39，再次說明該區域適合材料的加工成型。

圖4 Q690鋼在真應變為0.5時的熱加工圖

圖5 不同熱變形條件下Q690鋼的顯微組織形貌

3 結論

(1) 變形溫度和應變速率對Q690鋼的熱變形行為有重要影響，隨著變形溫度的降低或應變速率的增加，Q690鋼的峰值應力和峰值應變會增大。

(2) Q690鋼的熱變形激活能為432.354 5 kJ/mol。

(3) Q690鋼最優的熱加工條件是溫度為1 080～1 150 ℃，應變速率為0.01～0.3 s-1。