第15卷第3期2008年6月塑性工程学报JOURNAL OF PLAST ICITY ENGINEERINGVol 15 No 3Jun 2008403Nb 钢高温热压缩变形条件下的流变应力研究*(1 昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明 650093)(2 钢铁研究总院,北京 100081)(3 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,沈阳 110004)刘 宁1,2 王立民2 陈礼清3 刘相华3 刘正东2杨 钢2 朱心昆1摘 要:采用Gleeble 3500热模拟实验机进行了403Nb 钢的高温热压缩实验,并对其流变应力进行了研究。
实验结果表明,温度在1100 ~1150 ,应变速率在0 01s -1~0 1s -1时,403N b 钢在热压缩实验中发生了明显的动态再结晶;用Zener H ollomo n 参数的双曲对数函数能较好的描述403Nb 钢的流变行为;经回归得到了403N b 钢峰值应力 P 的表达式和热变形激活能Q 值。
关键词:403Nb;流变应力;动态再结晶;热变形激活能中图分类号:T G142 24;T G 111 7 文献标识码:A 文章编号:1007 2012(2008)03 0114 05Investigation on flow stress of 403Nb steel during hot compressionLI U N ing 1,2 W AN G Li min 2 CH EN L i qing 3 L IU Xiang hua 3 L IU Zheng dong 2 Y AN G Gang 2 ZH U Xin kun 1(1 Faculty of M ater ials and M etallurg ical o f Kunming U niv ersity of Science and T echnolog y,K unming 650093 China)(2 Central Iro n and St eel Research Institut e,Beijing 100081 China)(3 T he State Ka y L ab of Ro lling and Automat ic,No rtheastern U niver sity,Sheny ang 110004 China;)Abstract:T he hot co mpr ession experiment o f 403N b w as carr ied o ut using Gleeble 3500,and its f low stress w as also investig a ted.U nder t he ex per imental temper ature from 850 to 1150 and st rain rate from 0 01s -1to 10s -1.T he results sho w that t he dy namic r ecrystallization of 403Nb occurs obvio usly w hen the co mepr ession temper atur e is from 1100 to 1150 and str ain rate is fro m 0 01s -1to 0 1s -1.T he flo w str ess of 403Nb steel can be r epresented by a Zener H ollomo n parameter in the hy perbo lic log ar ithm type equation.T he r eg ressed peak str ess expressio n P and the ho t defor mation act ivation energ y Q of 403N b steel dur ing hot compressio n ar e co ncluded.Key words:403N b;flo w str ess;dynamic recry stallization;hot defor mation activ ation energ y*国家自然科学基金重点资助项目(50634030)。
刘 宁 E mail:mo onchang eln@163 co m 作者简介:刘 宁,男,1982年生,硕士收稿日期:2007 05 13;修订日期:2008 03 19引 言金属的热变形行为是制定其挤压、轧制、扭转等热加工工艺的理论依据,同时通过热变形还可以改善金属材料的组织和性能。
材料在一定变形温度、应变和应变速率下的屈服极限称为流变应力,是材料在高温下的塑性指标之一,是力学性能和显微组织变化的综合体现。
主要受钢中合金元素、应变量、应变速率、温度的影响[1]。
系统研究材料的流变应力有助于科学的制定热加工工艺,更准确地控制热加工过程。
因此,国内外许多学者对各种钢及合金的热变形行为进行了大量研究[1,5 8,10 11]。
403Nb 钢属于马氏体不锈钢,主要应用于火电机组中的气轮机叶片。
该钢是在AISI403钢的基础上开发出来的。
由于添加了约0 2%的Nb 和 0 10%的V,从而改善了其力学性能,使之抗拉强度从原来的690M P 提高到790M P,屈服强度由原来的550M P 提高到650M P,其综合性能优于广泛应用于我国火电机组的AISI403钢和我国的1Cr13系列钢[2]。
关于该钢的报道,尤其是其热变形特性的报道还很少。
但随着能源紧缺问题的出现,我国将加大对能源基础设施的建设,特别是对火力发电系统的建设。
因此,对403Nb 钢种的热变形特性进行研究,将具有重要的实际意义。
1 实验条件及方法该实验所用403Nb 钢采用碱性电弧炉+电渣重熔(ESR)冶炼,化学成分见表1。
经锻造开坯轧制成 42mm 棒材,加工成 8mm !12mm 圆柱体热压缩试样(见图1)。
表1 403Nb 钢的化学成分/%T ab 1 Chemica l composition of 403Nb steel in w t%元素CM nSiSPCrMoNbVN i Fe分析0.160.460.280.0020.01611.980.0290.220.0280.12余图1 实验前后试样形状F ig 1 T he shape befor e and after ex periment热压缩在Gleeble 3500热模拟试验机上进行。
压缩过程中,在氩气保护下,在试样两端加放钽片,以减少摩擦对应力状态的影响。
将试样以10 /s 加热到1200 ,保温5min,使奥氏体均匀化;然后以10 /s 的冷却速度冷却到变形温度,并以一定的应变速率进行实验,试样总压缩量均为60%,工艺如图2所示。
图2 应力 应变曲线测定工艺F ig 2 Pr ocesses for mensuration of str ess strain curv es将实验后的试样过圆心沿轴线进行纵向切割,将切割面打磨抛光后用苦味酸酒精溶液进行化学腐蚀,并用德国Leica M EF4M 金相采集显微镜进行观察。
2 实验结果及分析2 1 真应力 真应变曲线热压缩实验的真应力 真应变曲线如图3所示,其中 为真应力, 为真应变。
图3 真应力 真应变曲线a) =10s -1;b ) =1s -1;c) =0 1s -1;d) =0 01s -1F ig 3 T rue st ress st rain cur ves of compr essio n在热加工过程伴随着动态回复和动态再结晶的发生。
一方面因形变使位错不断增值和积累,发生115第3期刘 宁等:403Nb 钢高温热压缩变形条件下的流变应力研究加工硬化,如图3中压缩初始阶段,随应变量增加应力增大;另一方面,通过热激活使位错偶对消、胞壁锋锐规整化形成亚晶以及亚晶合并等过程也在进行,即在应变硬化的同时发生动态回复,此时应力曲线趋于平缓。
当动态回复难以同步抵消形变时位错的增值积累,当位错积累到一定程度后就会促发再结晶形核,即发生动态再结晶[3]。
此时应力曲线出现峰值后趋于平缓。
发生动态回复时,软化过程和硬化过程同步,当两者平衡时,真应力 真应变曲线上出现流变应力不随应变而变的稳态流变。
图3a中速率为10s-1时,所有温度的实验都以动态回复为主,没有发生明显的动态再结晶。
发生动态再结晶时,大量位错被再结晶核心的大角度界面推移而消除,软化过程占主导地位,流变应力下降,应力 应变曲线出现峰值。
因此可以通过真应力 真应变曲线是否有峰值断定热变形过程是否发生了动态再结晶。
图3b中速率为1s-1时,1150 实验发生了较为明显的动态再结晶行为;图3c中速率为0 1s-1时,1100 和1150 实验发生了明显的动态再结晶行为;图3d中速率为0 01s-1时,1050 、1100 、1150 实验发生了动态再结晶行为。
同一应变速率,温度越高越容易发生动态再结晶;同一温度,应变速率越低越容易发生动态再结晶。
2 2 热变形流变应力方程热变形过程中,材料的高温流变应力 主要取决于变形温度T和应变速率 ,通常用概括了变形温度T和应变速率的Zener H ollom on参数Z来描述热加工参数[4]。
Zener和H o llom on在1944年提出并实验 ,证实了确定钢在高温热变形实验条件下流变应力的方法,提出了Z参数的概念,其物理意义是温度补偿的变形速率因子[5]。
Z定义为Z= expQRT=f( )(1)式中 ∀∀∀应变速率,s-1Q∀∀∀变形激活能,J/molR∀∀∀气体常数,取R=8 314J/molT∀∀∀变形温度,K∀∀∀真应力,MPaf( )的经验公式一般可表达为Z=( )=A n(2)Z=f2( )=B ex p(! )(3)式中 A,B,!∀∀∀常数n∀∀∀应力指数式(2)适用于热变形时应力较小的情况,式(3)适用于热变形时应力较大的情况[6,10]。
根据本文试验结果,选用式(3)。
一般认为,式中的 为稳态流变应力值 s,由于 s的精度受测量精度的影响较大,故一般用峰值应力 p代替稳态流变应力值 s。
所以,式(1)与式(3)联立,可以表示为Z= ex pQRT=B ex p(! p)(4) 将式(4)两边取对数,转换后可得:p=1!ln +Q!R#1T-1!ln B(5)设x1=ln ,x2=1T,y= p,b1=1!,b2=Q!R, a=-1!ln B则式(5)可简化为y=b1x1+b2x2+a(6) 应用最小二乘法原理[9]。
