1Cr10Co6MoVNbN航空用不锈钢的热变形行为_白青青.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun 20231Cr10Co6MoVNbN 航空用不锈钢的热变形行为白青青1,2,胡 进3,刘庭耀1,2,王婀娜1,2,宋令玺1,2(1.成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司,四川 成都 610303;2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,辽宁 鞍山 114009;3.攀钢集团江油长城特殊钢有限公司,四川 江油 621700)摘要:采用 Gleeble-3500 热模拟实验机,研究了 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢在温度为 8001100、应变速率为 0.0110 s-1下的热变形行为,得到了其应力-应变曲线,并构建了本构方程,分析了温度、应变速率和变形量对其微观组织的影响。结果表明:在热变形过程中,峰值应变会随着变形温度的降低或应变速率的增大而增大,不锈钢发生了动态再结晶,温度对动态再结晶的显微组织影响明显;在应变速率为 1 s-1时,再结晶体积分数及晶粒尺寸最小;在低应变速率下变形时,再结晶组织容易出现混晶。通过-曲线确定了其临界应力与峰值应力、临界应变与峰值应变的关系。关键词:1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢;热变形;本构方程;再结晶;临界应力;临界应变DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.032中图分类号:TG142.73 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0238-07Thermal deformation behavior of aerospace stainless steel 1Cr10Co6MoVNbNBai Qingqing1,2,Hu Jin3,Liu Tingyao1,2,Wang Enuo1,2,Song Lingxi1,2(1.Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610303,China;2.State Key Laboratory of Meatl Material for Marine Equipment and Application,Anshan 114009,China;3.Jiangyou Changcheng Special Steel Co.Ltd.of Pangang Group,Jiangyou 621700,China)Abstract:The thermal deformation behavior of 1Cr10Co6MoVNbN stainless steel under the temperature of 800-1100 and the strain rate of 0.01-10 s-1 was studied by thermal simulation experimental machine Gleeble-3500,and the stress-strain curve was obtained.Then,the constitutive equation was constructed,and the influences of temperature,strain rate and deformation amount on its microstruc-ture were analyzed.The results show that during the thermal deformation process,the peak strain increases with the decreasing of deform-ation temperature or the increasing of strain rate,the dynamic recrystallization occurs,and the temperature has obvious influence on the microstructure of dynamic recrystallization.When the strain rate is 1 s-1,the recrystallization volume fraction and the grain size are the smallest.When deformed at low strain rate,the recrystallized structure is prone to mixed crystal.The relationships between critical stress and peak stress,and between critical strain and peak strain are determined by-curve,respectively.Key words:1Cr10Co6MoVNbN stainless steel;thermal deformation;constitutive equation;recrystallization;critical stress;critical strain收稿日期:2022-07-21;修订日期:2022-10-25作者简介:白青青(1986-),女,学士,高级工程师E-mail:89447535 1Cr10Co6MoVNbN 钢是优良的抗蠕变马氏体型不锈钢,由于该钢中加入了 Mo、V、Nb 等元素,具有较高的热强性能、热稳定性和抗氧化性能,主要用于航空发动机高压压气机转子叶片和高压压气机机盘1-2。1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢目前主要的热加工方式是锻造,研究人员对其锻造工艺进行了研究3,但仅限于宏观锻造工艺,对材料在热加工过程中微观组织的变化以及热变形参数的影响并未详述,因此,建立该材料的热变形参数同微观组织之间的关系,具有重要的应用价值。本 文 通 过 热 模 拟 实 验 系 统 地 研 究 了1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的热变形行为,分析了流变应力的影响因素,并建立了本构关系模型。同时,分析了热变形参数对压缩变形后组织的影响规律,并确定了再结晶发生的临界条件,为 1Cr10Co6MoVNbN不锈钢热加工参数的制定提供了重要的参考作用,具有一定的实际意义。1 实验材料及方法1.1 实验材料试样取自长城特钢公司生产的 1Cr10Co6MoVNbN不锈钢锻后退火态的 80 mm 棒材,其化学成分见表 1。表 1 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of 1Cr10Co6MoVNbN stainless steel(%,mass fraction)CSiMnPSCrMoNiCoVNbFe0.090.230.800.00340.00310.200.680.506.100.150.21余量1.2 实验方法热压缩试样尺寸为 8 mm12 mm,在 Gleeble-3500 热模拟实验机上以 5 s-1的速率加热至1200 后保温 5 min,再以 5 s-1的速率降温至800、850、900、950、1000、1050 和 1100,分别以 0.01、0.1、1 和 10 s-1的应变速率进行压缩,变形量分别为 30%、50%和 70%,压缩完成后快速冷却至室温。热压缩后的金相试样经机械研磨和抛光后进行热浸蚀,腐蚀试剂为硫酸和高锰酸钾水溶液(1 g KMnO4+10 mL H2SO4+90 mL H2O),然后在金相显微镜下观察不同条件变形后的微观组织。2 实验结果及分析2.1 真应力-真应变曲线图 1 和图 2 分别为 70%变形量时,不同变形条件下的真应力-真应变曲线。可以看出,在最初变形时,流变应力增加速度较快,随着试样继续变形速度逐渐放缓,当增加至一定程度时出现峰值应力,说明材料在压缩过程中发生了动态再结晶,随着应变量的继续增加,曲线出现稳态流变的特征。图 1 70%变形量时不同变形条件下的真应力-真应变曲线(a)0.01 s-1(b)0.1 s-1(c)1 s-1(d)10 s-1Fig.1 True stress-true strain curves under different deformation conditions at deformation amount of 70%热变形过程中,在其他条件不变的情况下,提高变形温度会使峰值应力及其对应的峰值应变降低,而应变速率对其的影响则相反。2.2 热变形本构方程由上述分析可以看出,在热变形过程中,变形温度、应变速率等会影响流变应力的大小,且高变形温度同低应变速率的作用相似4。Bruni C 等5根据 Arrhenius 关系采用幂律函数式(1)、指数定律式(2)以及双曲正弦函数式(3)分别描述不同应力水平下、T、之间的关系:932第 6 期白青青等:1Cr10Co6MoVNbN 航空用不锈钢的热变形行为 图 2 70%变形量时在 1100 变形温度下的真应力-真应变曲线Fig.2 True stress-true strain curves under deformation temperature of 1100 and deformation amount of 70%=A1n1exp-QRT()(1.2)(2)=Asinh()nexp-QRT()(所有情况)(3)式中:为应变速率,s-1;为流动应力,MPa;A、A1、A2为结构因子;Q 为热变形激活能,(Jmol-1);R 为摩尔气体常数,取 8.314 J(molK)-1;T 为变形温度,K;n、n1为应力指数;为与材料有关的参数,MPa;为应力水平参数,MPa-1,=/n16。用 Zener-Hollmon 参数 Z 来表示 T 与 之间的关系7-8:Z=expQRT()=Asinh()n(4)对式(1)式(3)两边取对数,得出:ln=lnA1+n1ln-QRT(5)ln=lnA2+-QRT(6)ln=lnA+nlnsinh()-QRT(7)根据式(5)式(7),绘制 ln-ln、ln-和ln-lnsinh()的关系曲线并拟合,如图 3a图 3c所示。得到各关系曲线的斜率平均值分别为 n1=15.89,=0.07 MPa-1,=/n1=0.0044 MPa-1,n=11。对式(7)进行转换,得出:lnsinh()=ln-lnAn+QRn1T(8)由式(8)可以推导出:Q=nRs(9)式中:s 为式(8)中 lnsinh()-1/T 关系曲线的斜率平均值。根据式(8)绘 lnsinh()-1/T 关系曲线并拟合,如图 3d 所示,得到曲线的斜率平均值为 s=7.28103,则 Q=665.69 kJmol-1。对式(4)两边取对数,得出:lnZ=ln+QRT=lnA+nlnsinh()(10)绘制 lnZ-lnsinh()关系曲线,如图 4 所示,可知其呈线性关系,得到 lnA=64.47,即 A=9.9651027。综上,1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢的 Z 参数表达式和热变形方程分别为:Z=exp665686.21/(RT)(11)=9.965 1027sinh(0.004)11exp-665686.21/RT(12)2.3 热变形微观组织分析图 5 为 1Cr10Co6MoVNbN 不锈钢在 70%变形量下,以 0.01 s-1的应变速率压缩后不同温度下的微观组织。可以看出,在变形速率和变形量一定的情况下,变形温度对动态再结晶显微组织的影响明显。随变形温度的升高,动态再结晶体积分数增加,同时晶粒尺寸明显增大。在 800 压缩后,可观察到部分晶界出现弯曲,有少量细小的再结晶晶粒;在850 压缩后,晶界弯曲更加明显,细小的再结晶晶