连续应变分布Maraging250钢的动态再结晶行为_韩顺.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023连续应变分布 Maraging250 钢的动态再结晶行为韩 顺1,尚丽梅1,厉 勇1,王建国2,高 茜3,王春旭1(1.钢铁研究总院有限公司 特殊钢研究院,北京 100081;2.西北工业大学 材料学院,陕西 西安 710072;3.中国航发动力股份有限公司,陕西 西安 710021)摘要:通过设计高通量双锥试样,在单个热压缩试样的不同区域产生梯度应变,研究了 10201150 变形温度下 Maraging250钢的动态再结晶(DRX)行为。采用有限元数值模拟、光学显微镜和电子背散射衍射技术,定量分析了各双锥变形试样垂直截面中心线附近的显微组织,确定了 DRX 的含量,建立了不同变形温度下 Maraging250 钢的动力学曲线。结果表明:将双锥试样热压缩后,等效应变沿垂直截面中心线呈连续对称分布,应变从边缘到心部逐渐增大至 1.7,内部变形温度基本稳定在972985。在热压缩过程中,Maraging250 钢发生了连续应变 DRX,其动力学曲线表现为典型的“S”形特征,DRX 体积分数在变形中期增长速率最高,在变形初期及末期增速缓慢。随着变形温度的升高,DRX 形核过程所需的应变有所降低,DRX体积分数最大增长率明显升高,但各变形温度下完全 DRX 所需的应变量变化较小。关键词:Maraging250 钢;双锥试样;应变;动态再结晶;微观组织DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.031中图分类号:TG311 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0231-07Dynamic recrystallization behavior on continuous strain distribution for Maraging250 steel Han Shun1,Shang Limei1,Li Yong1,Wang Jianguo2,Gao Xi3,Wang Chunxu1(1.Institute of Special Steels,Central Iron and Steel Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100081,China;2.School of Materials Science and Engineering,Northwest Polytechnical University,Xian 710072,China;3.AECC Aviation Power Co.,Ltd.,Xian 710021,China)Abstract:The dynamic recrystallization(DRX)behavior of Maraging250 steel at temperature of 1020-1150 was studied by designing high-flux biconical specimen and producing gradient strains in different regions of one single thermal compression specimen.Then,the mi-crostructure near the center line of the vertical section of each biconical deformed specimens was quantitatively analyzed by finite element numerical simulation,optical microscope(OM)and electron backscatter diffraction(EBSD)technology,the content of DRX was deter-mined,and the kinetic curves of Maraging250 steel at different deformation temperatures were established.The results show that after thermal compression of the biconical specimen,the equivalent strain is continuously and symmetrically distributed along the center line of the vertical section,the strain gradually increases to 1.7 from the edge to the center,and the internal deformation temperature is basically stable at 972-985.During the thermal compression process,continuous strain DRX occurs in Maraging250 steel and its kinetic curves show a typical S shape feature.DRX volume fraction increases at the highest rate in the middle stage of deformation,and the growth rate is slow in the early and late stages of deformation.With the increasing of deformation temperature,the strain required for the nuclea-tion process of DRX decreases,and the maximum growth rate of DRX volume fraction increases obviously,but the strain required for com-plete DRX changes slightly at each deformation temperature.Key words:Maraging250 steel;biconical specimen;strain;dynamic recrystallization;microstructure收稿日期:2023-04-17;修订日期:2023-05-24基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFB3705204)作者简介:韩 顺(1987-),男,硕士,高级工程师E-mail:hanshunfa 金属材料的性能在很大程度上取决于热加工过程中微观组织的变化和控制,因此,国内外学者大多致力于研 究 材 料 微 结 构 演 变 规 律 及 变 化 机制1-2。作为最典型的马氏体时效钢,Maraging250钢自研制成功以来,就以高强度、高塑韧性和良好加工性等优势被广泛应用于航空、航天、原子工业等领域3-5,因此,也促进了其热加工控制及组织演变规律的研究。锻件组织的均匀性直接影响构件的服役寿命,特别是应用于航空发动机涡轮轴等循环承载构件的Maraging250 钢,其性能直接影响发动机的寿命及安全性。因此,在 Maraging250 钢锻件的锻造、轧制、挤压等热加工过程中,除了保证锻件成形,更重要的是通过动态回复和再结晶等方法控制各部位的最终显微组织,获得合理的宏观和微观组织分布6。目前,金属材料的本构方程和动态再结晶行为研究均基于圆柱试样的热模拟试验,此方法只能得到单一变形量下的试验数据,无法反映出工件在热变形过程中的连续组织变化情况,与实际生产具有一定的差异性7。本文通过 Maraging250 钢双锥试样热压缩试验,在同一试样上获得连续的应变分布,并结合双锥试样压缩变形的数值模拟结果,研究Maraging250 试验钢在热压缩过程中的变形温度、应变量对其显微组织的影响,为在数值模拟领域建立更加精确的物理模型提供理论参考和数据支持。1 试验材料及方法以真空感应+真空自耗重熔工艺生产的 Marag-ing250 马氏体时效钢为研究对象,其化学成分(%,质量分数)为 C 0.005,Ni 17.9,Co 7.81,Mo 5.02,Ti 0.46,Al 0.11,Si 0.03,Mn 0.0025,S 0.0005,P 0.002,余量 Fe。将试验钢机加工成高度为 40 mm、中心最大直径为40 mm 的双锥试样,如图 1a 所示。热压缩试验在 3150 N 液压机上进行,变形温度为 10201150,下压量为 28 mm,下压速度为 7 mms-1,模具温度为 350。为减小试样与模具间的摩擦,将试样预热至 200,保温20 min 后,在表面刷涂玻璃润滑剂。将润滑处理后的试样加热至变形温度,保温 40 min 后压缩,压缩完成后立即水淬以保留高温状态下的变形组织。图 1 双锥试样的尺寸图(a)和金相观察与 EBSD 取样位置(b)Fig.1 Size diagram of biconical specimen(a)and sampling positions of metallographic observation and EBSD(b)试验完成后,将试样沿纵截面的中心线剖开,试样经磨抛后使用 10%铬酸水溶液电解以观察晶粒,试验电流为 2.0 A,腐蚀时间为 5 20 min,清水冲洗吹干后在 OLYMPUS GX51 数字光学显微镜下进行金相组织观察。采用配备EBSD 装置的 JSM-7900F 热场发射扫描电子显微镜进行 显 微 组 织 观 察,步 长 为 0.1 m,通 过TSL OIM Data-Collection 5 工具对采集信息展开解析。采用有限元数值模拟软件 DEFORM-3D 对双锥试样热压缩过程进行模拟。试样与模具的接触热交换系数设为 2 N(smm)-1,摩擦因数为0.3,下压速度为 7 mms-1,其余参数均与双锥试样的热压缩试验一致。2 双锥试样有限元数值模拟当变形温度为 1050 时,双锥试样压缩完成后的应变场、温度场以及等效应变场在轴向纵剖截面上的分布如图 2 所示。由图 2a 等效应变分布可以看出,试样整体的等效应变范围为 0.3121.740,变形量由表面至心部逐渐增大,试样中心区域的上、下局部表面和轴向外表面的应变最小,是变形过程中的“死区”,大应变区域的应变量呈“X”形分布。应变沿压缩方向呈轴对称分布,与压缩方向垂直的截面中心线上的应变分析结果如图 2b 所示,应变呈对称分布且连续变化,试样外表面的应变最小为 0.370,中心线上沿试样外表面至中心区域,应232锻压技术 第 48 卷图 2 双锥试样热压缩数值模拟结果(a)等效应变场(b)截面中心线应变分布(c)温度场(d)截面中心线温度场分布Fig.2 Numerical simulation results of thermal compression for biconical specimens(a)Equivalent strain field(b)Strain distribution along section center line of specimen(c)Temperature field(d)Temperature distribution along section center line of specimen 变逐渐增大至峰值,峰值应变为 1.700,试样中的最大应变出现在试样中心位置偏上约 1 mm 处。试验钢在热压缩完成后的温度场云图如图 2c 所示,热压缩结束后,由于与模具长时间接触发生热传导,试样的上、下表面的温度下降较为