34CrNi3MoV钢的热变形行为_邹志鹏.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.202334CrNi3MoV 钢的热变形行为邹志鹏1,徐 东1,2,郑 冰1,3,王怡群2,王学玺2,郑 磊4,5(1.河北工程大学 河北省高品质冷镦钢技术创新中心,河北 邯郸 056038;2.河南中原特钢装备制造有限公司,河南 济源 459008;3.辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;4.河北普阳钢铁有限公司,河北省高韧性风塔钢工程研究中心,河北 邯郸 056305;5.河北普阳钢铁有限公司,河北省高塑韧性耐磨钢板技术创新中心,河北 邯郸 056305)摘要:为分析 34CrNi3MoV 钢的热变形行为,采用 Gleeble-1500 热模拟试验机进行等温热压缩试验,设置变形温度为 8001200、应变速率为 0.0110 s-1,获得相应的流变应力曲线。分析了流变应力对变形参数的敏感性,计算了不同应变量下材料参数、n、Q 和 A 的值,并利用五阶多项式拟合了各材料参数与应变量的对应关系。采用应变补偿的 Arrhenius 模型对34CrNi3MoV 钢的高温流动应力本构方程进行回归。结果表明:34CrNi3MoV 钢在变形温度为 1000 1200、应变速率为0.01 1 s-1 时出现较为明显的动态再结晶曲线特征,并随着应变速率的降低和变形温度的升高,峰值应力越明显。本构方程预测的流动应力与试验结果的吻合度较好,在整个试验范围内的平均相对误差 Rav仅为5.52%,表明所构建的模型是可靠的。关键词:34CrNi3MoV 钢;等温压缩;流变应力;本构方程;应变补偿DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.030中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0211-08Thermal deformation behavior on 34CrNi3MoV steelZou Zhipeng1,Xu Dong1,2,Zheng Bing1,3,Wang Yiqun2,Wang Xuexi2,Zheng Lei4,5(1.Technology Innovation Center for High Quality Cold Heading Steel of Hebei Province,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China;2.Henan Zhongyuan Special Steel Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Jiyuan 459008,China;3.School of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China;4.Engineering Research Center for Wind Tower Steel of High Toughness of Hebei Province,Heibei Puyang Iron and Steel Co.,Ltd.,Handan 056305,China;5.Technology Innovation Center for Wear Resistant Steel Plate of High Plasticity and Toughness of Hebei Province,Hebei Puyang Iron and Steel Co.,Ltd.,Handan 056305,China)Abstract:In order to analyze the thermal deformation behavior of 34CrNi3MoV steel,the isothermal thermal compression tests were conducted on Gleeble-1500 thermo-mechanical simulator with the deformation temperature of 800-1200 and the strain rate of 0.01-10 s-1,the corre-sponding rheological stress curves were obtained.Then,the sensitivity of rheological stress to deformation parameters was analyzed,and the val-ues of material parameters,n,Q and A under different strain amounts were calculated.Furthermore,the corresponding relationship between each material parameter and strain amount was fitted by the fifth-order polynomial,and the high-temperature rheological stress constitutive equa-tion of 34CrNi3MoV steel was regressed by the strain-compensated Arrhenius model.The results show that the dynamic recrystallization curve characteristics of 34CrNi3MoV steel is obvious when the temperature is 1000-1200 and the strain rate is 0.01-1 s-1,and the peak stress be-comes more obvious with the decreasing of strain rate and the increasing of deformation temperature.The rheological stress predicted by the con-stitutive equation has a high agreement with the test results,and the average relative error Rav in the entire test range is only 5.52%,which indicates that the constructed model is reliable.Key words:34CrNi3MoV steel;isothermal compression;rheological stress;constitutive equation;strain compensation收稿日期:2022-05-18;修订日期:2022-08-25基金项目:国家自 然 科 学 基 金 联 合 基 金 资 助 项 目(NSFC)(U20A20272);河北省军民科技协同创新专项(22351001D);邯郸市科学研究计划重点项目(21122015004);河北省高等学校科学技术研究项目(CXY2023004)作者简介:邹志鹏(1987-),男,硕士研究生E-mail:zzp9963 通信作者:徐 东(1984-),男,博士,教授,博士生导师E-mail:xudong_xyz 34CrNi3MoV 钢具有优良的综合力学性能,被广泛用于制造坦克炮和火炮的管身,以及高压釜等构件,这些构件均通过锻造加工制作。由于此类构件的尺寸较大,锻造难度极高,不合理的热变形工艺将会带来巨大的经济损失。因此,在正式生产前,数值模拟仿真技术常常被用于评价和优化大型锻件的热变形工艺1-2。然而,仿真结果的可靠性在很大程度上取决于本构方程预测的准确性。由于不同材料对变形参数的敏感性程度不完全相同,且本构方程为非线性关系,无法建立普遍适用的数学关系式,因此,多种构造方法被提出,其中常见的有 Arrhenius 模型3、John-son-Cook 模型4、Norton-Hoff 模型5、Zerilli-Armstrong模型6等。虽然这些本构方程在预测方面比较成功,但仍需进一步提高预测精度。最近,学者们7-10在 Ar-rhenius 模型的基础上,利用应变补偿对模型中的各参数进行修正,修正后的 Arrhenius 本构方程具有良好的相关性和推广性。目前,34CrNi3MoV 钢的研究热点主要集中于热处理工艺11-12,然而对热变形过程的研究鲜有报道。因此,对该钢的热变形行为进行研究并建立本构方程是非常有必要的。本文以 34CrNi3MoV 钢为研究对象进行了单道次等温压缩试验,分析了流变应力曲线,根据Arrhenius 模型对 34CrNi3MoV 钢的流动应力本构方程进行了回归,在整个试验范围内,对本构方程的可靠性进行了验证,以期为该钢材的数值模拟仿真及热加工工艺的制定提供一定的参考。1 试验材料和方法试验材料为工业热轧后的 34CrNi3MoV 钢,压缩试样的规格为 8 mm12 mm,化学成分见表 1。压缩过程的工艺图如图 1 所示,试样在电阻加热的作用下,控 制 升 温 速 率 为 20 s-1,升 温 至1200 后保温 180 s,确保试样完全奥氏体化,再控制降温速率为 10 s-1,降温至变形温度,保温 30 s,确保试样温度分布均匀,最终完成压缩试验。压缩过程的变形参数如下:变形温度 T为 800、900、1000、1100 和 1200,应变速率 为 0.01、0.1、1 和 10 s-1,最大变形量为 50%(真应变 为0.69)。压缩后的试样采用水淬处理,通过金相显微镜观察压缩后的晶粒形貌。表 1 34CrNi3MoV 钢的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of 34CrNi3MoV steel(%,mass fraction)CSiMnCrNiMoVCuPSFe0.280.350.150.40.50.81.21.53.03.30.350.450.10.20.020.0150.001余量图 1 34CrNi3MoV 钢等温热压缩试验工艺流程图Fig.1 Process flow chart of isothermal thermal compression test for 34CrNi3MoV steel2 结果与讨论2.1 流变曲线分析图 2 为 34CrNi3MoV 钢在压缩试验中获得的真应力-真应变曲线。由图 2a 可以看出:当应变速率为 0.01 s-1、变形温度为 800 900 时,流动应力在整个变形范围内表现为持续增大,但流变应力的增速却随应变的增大呈逐渐减缓的趋势;当变形温度为 10001200 时,流动应力随应变量的增大表现为先上升再下降,最后趋于平稳的趋势,曲线出现了明显的峰值应力。这是因为流变应力是硬化机制和软化机制相互竞争的结果13。在压缩初期,位错增殖产生加工硬化,使流变应力呈现十分迅速的上升趋势,随后在动态回复(DRV)的作用下,位错被大量消耗、重组,材料内部发生软化,流变应力上升逐渐减缓。当压缩条件满足动态再结晶(DRX)临界条件时,材料内部发生 DRX,新晶粒的形核和长大使位错密度快速下降,随着应变量的增大,DRX 产生的软化效果增强,当软化占主导作用时,流变应力开始下降。图 2b、图 2c 的变化规律与图 2a 基本一致,对比可以发现,应变速率的减小有利于发生 DRX。从图 2d 看出,在高应变速率下,应力在 DRV 产生后基本保持不变,表现出稳态流