42CrMo鋼熱變形行為及熱加工圖研究

李趙陽，王建梅，吉宏斌，毛泱博，王震宇

(太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

隨著重大裝備向高質量、高效率和高可靠性方向發展，對軸承力學性能提出了更高的要求。通常，軸承鋼為高碳軸承鋼，而中碳軸承鋼相較于高碳軸承鋼不存在網狀碳化物析出的問題，并且殘余奧氏體組織可控制在較低范圍，是超高速高精密滾動軸承的發展方向[1-2]。ECAP具有顯著細化晶粒的特點，可以增加材料的力學性能[3]。但由于42CrMo鋼的高強度特點，必須在高溫下進行。因此，需確定最佳熱擠壓工藝參數，得到最優的熱加工工藝區間。

熱加工工藝通過不同溫度和應變速率來實現對組織和性能的影響，進而影響軸承的服役性能和壽命。郭卜瑞等[4]研究了40Cr鋼的熱變形行為和熱加工性能，給出了流動應力的預測模型和最佳的熱加工工藝區。廉學魁等[5]通過構建GE1014鋼的熱加工圖，得到了均勻且細小的完全動態再結晶組織。胡志強等[6]通過構建退火態42CrMo的熱加工圖，得到了最佳的熱加工工藝參數。宋澤等[7]通過9Ni鋼的熱變形實驗，得出其最優的加工工藝區間，為9Ni鋼的控扎控冷工藝提供了參考。

因此本文通過42CrMo鋼的熱變形實驗，分析工藝參數對流變曲線的影響，同時構建了其峰值應力下的本構方程，給出了流變應力的預測模型；確定42CrMo鋼的最優熱加工工藝范圍，為ECAP高溫擠壓提供借鑒。

1 試驗材料及方法

本文實驗所采用的材料是42CrMo中碳鋼，化學成分如表1所示。試樣的獲取方式為線切割，試樣的大小為Φ10 mm×12 mm，變形量為60%，溫度為1 123～1 223 K，應變速率為0.1～10 s-1，具體過程如圖1所示。試樣先是以10 K/s的速度升到變形所需要的溫度，保溫時間為120 s，目的在于消除熱壓縮試樣內部的溫度梯度，然后進行熱壓縮實驗，結束后立即水冷。

圖1 42CrMo鋼熱壓縮實驗過程

表1 42CrMo鋼各化學元素的質量分數

2 實驗結果與分析

2.1 真應力-真應變曲線

42CrMo鋼經過熱壓縮后的流變應力曲線如圖2所示，各曲線在達到峰值應力之前具有相同的趨勢。變形初期，隨著應變的不斷增加，變形抗力急速上升，即為加工硬化；在到達峰值應力之后，流變應力曲線呈現出兩種不同的類型。實驗工況為1 s-1、1 123～1 173 K和10 s-1、1 123～1 223 K的流變應力曲線為動態回復型曲線，到達一定的應變量之后，流變應力保持穩定。實驗工況為0.1 s-1、1 123～1 223 K和實驗工況1 s-1、1 223 K的流變應力曲線為動態再結晶型曲線，變形后期流變應力再次上升，說明了加工硬化再次占據主導地位。

圖2 不同變形溫度下的42CrMo鋼流變應力

圖3表示流變應力在不同的應變速率下隨溫度的變化。由圖可知，在相同的應變速率下，流變應力有相同的趨勢，均是隨著變形溫度的升高而降低；在相同的變形溫度下，流變應力均是隨著應變速率升高而上升。綜合文獻[8]可知，隨著變形溫度的不斷升高，產生了新的滑移機制；伴隨著溫度的升高，還會消除在變形時存在的部分位錯，導致動態回復發生，進而降低了應力；隨著變形速率的不斷提高，42CrMo鋼發生變形的時間縮短，導致軟化作用較弱，所以使得流變應力增加。

圖3 不同應變速率下流變應力隨溫度的變化

2.2 42CrMo鋼本構方程建立

(1)

(2)

(3)

(4)

對式(1)、式(2)取對數，得到：

(5)

(6)

圖4 和的關系曲線

將上面計算的α值帶入式(3)，并對式(3)的等式兩邊分別取對數得到式(7)：

(7)

ln[sinh(ασ)]=C+D(1 000/T)

(8)

以ln[sinh(ασ)]-1 000/T為坐標做出圖5(b)，求得斜率平均值為5.704 87，得到峰值變形的熱激活能Q=349.931 19 kJ/mol。

圖5 和ln[sinh(ασ)]-1 000/T的關系曲線

對式(5)等式兩邊取對數得：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(9)

做出lnZ-ln[sinh(ασ)]的曲線圖，見圖6。經過線性回歸分析之后，得到截距lnA=34.724 12，A=exp(34.724 12)。

圖6 線性擬合曲線ln Z-ln[sinh(ασ)]

將上面得到得α、n、Q和A帶入式(3)中，可得到42CrMo鋼的本構方程為

exp(-3.499×105/(RT))

(10)

材料的各種常數在被確定之后，可以依據Z參數來預估給定應變下的流變應力：

(11)

因此，峰值應力和參數Z函數關系的本構關系為

[(Z/exp(34.724 12))2/7.377 8+1]0.5}

(12)

在熱變形的整個過程中，應變對其他材料參數(α、n、Q和A)的影響顯著[10]。現利用數學回歸的方法原理[11]，進行六次多項式擬合，得到帶有ε的α(ε)、n(ε)、Q(ε)和A(ε)，其擬合結果見圖7，其六次多項式擬合方程如下：

圖7 應變和材料參數的多項式擬合

(13)

將α(ε)、n(ε)、Q(ε)和A(ε)帶入式(11)，得到含有Z參數的應變補償方程：

(14)

現將各應變值帶入式(14)，間隔相同且均為0.05，通過計算得出各應變量的流變應力，并和實驗獲得數據相對比，對比結果如圖8。

圖8 計算值和實驗值對比結果

采用平均絕對相對誤差和相關系數(R2)進行精確評估[12-13]，如圖9所示。圖9表明，預測值和實際值之間的相關性(R2=0.987)較高，并且通過對流變應力的計算得出了平均絕對相對誤差2.68%，因此本文建立的模型能夠較為準確地預測流變應力。由此，證明含有Z參數的模型可以較精確地描繪42CrMo鋼的高溫流變行為。

圖9 計算流變應力和實驗流變應力的相關性

2.3 熱加工圖構建

熱加工圖能夠詳細表達出不同熱變形條件下材料的塑性變形能力，包括變形溫度、變形速度和應變量。熱加工圖為了解材料塑性變形的安全區和危險區提供了重要的依據，可以更好地制定相關的加工工藝和控制金屬材料的顯微結構。根據DMM的理論，材料被視為非線性能量耗散體，其能量耗散P分由兩部分組成：一部分是內部微觀組織改變所耗散的能量J；一部分是材料發生塑性變形需要的耗散能，其表達式為[14]

(15)

應變速率敏感指數m的其表達式為[15]

(16)

通過應變速率m計算獲得耗散率因子η，η和應變、應力、變形溫度和速率有關，其表達式為[16]

(17)

一般情況下，選擇耗散率因子η值較大的區域進行加工。但實際過程中，并不是η的值越大，合金鋼的熱加工性能就越好。η值較大的區域中，不利于加工性能的缺陷也有存在的可能。所以，指出熱加工的失穩區域(如局部流動、楔形開裂、空洞行程等)是非常有必要的，本文采用的為prasad失穩判據[17]，其表達式為

(18)

表2為42CrMo鋼在真應變為0.6和0.8時的流變應力值。將其帶入式(15)、式(16)、式(17)中，繪制42CrMo鋼的熱加工圖，如圖10所示。圖中陰影的部分代表著熱壓縮過程中，42CrMo鋼可能會出現流動失穩的區域。從圖中可以看出，在整個變形的過程中，流變失穩的區域并不是確定的，它會伴隨著變形程度的改變而發生變化[18]。應變為0.6時，失穩區范圍是1 123～1 140 K、0.8～10 s-1，應變為0.8時，失穩區范圍是1 123～1 160 K、0.4～10 s-1。η隨溫度的升高而上升，隨應變速率的增加而降低；不同之處在于，0.8應變的功率耗散因子相較于0.6應變增加的更加均勻。

圖10 42CrMo鋼在不同應變下的熱加工圖

表2 不同實驗參數的流變應力值

圖中高耗散值集中在右下角位置，應變溫度為1 140～1 223 K，速率為0.1～1.5 s-1，η的范圍是0.27～0.30，動態回復和再結晶易發生[19]，材料的熱加工性能相對來說更好；圖中的失穩區集中在左上區域，即低溫高應變區，在這個區域內對材料進行加工，容易產生剪切等現象，材料性能不穩定。

3 結論

(1)從42CrMo鋼的真應力-應變曲線可以得出：動態再結晶一般發生在高溫低應變情況下；動態回復一般發生在低溫高應變情況下。

(2)建立了42CrMo鋼的本構方程，并對不同應變條件下的α、n、Q和A進行多項式擬合，獲得帶有參數ε的α(ε)、n(ε)、Q(ε)和A(ε)，結果表明流變應力有著較高的預測精度。

(3)建立了中碳鋼42CrMo在應變溫度為1 123～1 223 K，應變速率為0.1～10 s-1下的熱加工圖，得到中碳鋼42CrMo的最佳工藝參數范圍：加工溫度適宜控制在1 140～1 223 K范圍內，應變速率宜控制在0.1～1.5 s-1范圍內。