40CrNi2MoE钢的高温塑性变形特征

苏新生，徐文帅，黄顺喆，王春旭，厉 勇

（1.中国航空动力机械研究所，株洲 412005；2.钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081；3.贵州安大航空锻造有限责任公司，安顺 561005）

0 引 言

40CrNi2MoE钢是一种典型的优质低合金超高强度钢，是制造飞机起落架和其他主要结构部件的关键材料[1]。关于这种钢的研究已有大量文献报道[2－5]，这些研究主要集中在组织相变、疲劳断裂性能以及钢中氢脆等方面，但关于其热变形行为还鲜有报道。为此，作者采用热模拟试验机对40CrNi2MoE钢进行了高温轴向单道次压缩变形试验，系统地研究了其热变形行为，并对变形后的显微组织进行了分析，为其热加工工艺的制定和优化提供技术指导和理论依据。

1 试样制备与试验方法

试验用40CrNi2MoE钢棒材化学成分（质量分数/%）为0.41C，0.78Mn，0.25Si，0.000 6P，0.001S，0.85Cr，1.80Ni，0.25Mo，0.000 6O，0.001 0N。从棒材上切取并加工成Ф8 mm×15 mm的圆柱形压缩试样，然后在Gleeble-3800型热模拟试验机上进行高温轴向单道次压缩试验。试样先以10 K·s-1的加热速率加热到1 423 K，保温5 min，然后以10 K·s-1的冷却速率冷却到不同的变形温度（1 123，1 223，1 323，1 423 K），保温5 s后进行压缩变形；其应变速率分别为0.01，0.1，1，10 s－1，最大真应变为0.9，变形后立刻喷水冷却，以便保留高温变形后的晶界。用线切割机把热压缩试样沿压缩方向从中间剖开，磨平、抛光后，使用饱和苦味酸＋少量海鸥洗剂混合溶液来腐蚀，显示奥氏体晶界，用LEICA MEF4M型光学显微镜观察其显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 高温流变曲线及变形组织

从图1中可以看出，在不同的变形条件下，40CrNi2MoE钢的高温流变曲线表现为动态回复型和动态再结晶型[6]两种类型，主要是以动态回复型为主。在高温变形过程中，40CrNi2MoE钢的峰值应力和稳态流变应力随着变形温度的降低和应变速率的增大而提高。在应变速率相同的条件下，变形温度越高，动态软化速率越快，因而动态软化程度越大，峰值应力和稳态流变应力逐渐降低，峰值应力和应变也随着变形温度的升高而逐渐减小[7]。在变形温度相同的条件下，40CrNi2MoE钢的加工硬化率、峰值应力和稳态流变应力也随应变速率的增大而升高。

图1 在不同变形条件下40CrNi2MoE钢的高温流变曲线Fig.1 High temperature flow stress curves of 40CrNi2MoE steel under different deformation conditions

从图1中还可以看出，当应变速率为0.01 s-1，变形温度高于1 123 K时，40CrNi2MoE钢的流变曲线出现应力峰，表现出动态再结晶型曲线的特征；当应变速率提高到0.1 s-1和1 s-1时，只有当变形温度分别高于1 223 K和1 323 K时，40CrNi2MoE钢的高温流变曲线才表现为动态再结晶型。由此可见，随着应变速率的提高，其发生完全动态再结晶的温度也逐渐升高。而当应变速率达到10 s-1时，在试验温度范围内，40CrNi2MoE钢的高温流变曲线只表现为动态回复型。对于具有较高的加工硬化率的金属，在高温变形过程中，发生部分动态再结晶所产生的软化不足以抵消加工硬化，此时即使发生了动态再结晶，而在高温流变曲线上也不会表现出动态再结晶的明显标志，即曲线上出现峰值。所以，从40CrNi2MoE钢的高温流变曲线上还不能完全断定其是否发生了动态再结晶，还必须借助于显微组织观察加以分析。

由图2可以看到，当以0.01 s-1的应变速率在1 123 K下发生0.9的真应变后，其组织已经发生部分再结晶；而当其它条件不变，变形温度升高到1 223 K后，组织中基本上都为等轴的再结晶晶粒，说明40CrNi2MoE钢发生了完全的动态再结晶。当应变速率提高为1 s-1时，其发生完全动态再结晶的温度也提升到1 223 K之上；而当应变速率提高为10 s-1时，变形温度只有达到1 323 K之上40CrNi2MoE钢才能发生完全动态再结晶。变形温度相同时，随着应变速率的增大，完全动态再结晶晶粒尺寸逐渐变小；应变速率相同时，随着变形温度的升高，完全动态再结晶晶粒尺寸逐渐变大。

2.2 塑性变形本构方程

金属材料的高温流变应力与材料化学成分、变形温度T、应变速率ε以及应变ε有关，在材料化学成分不变时，流变应力σ与变形条件之间具有如下的双曲正弦关系[8-10]：

图2 不同变形条件下40CrNi2MoE钢的显微组织Fig.2 Microstructure of 40CrNi2MoE steel under different deformation conditions

式中：R为气体常数；Q为控制软化过程的激活能；A，n，α为相关常数。

在低应力时，式（1）可简化为：

在高应力时，式（1）可简化为：

其中，常数α，β及n'之间满足α=β/n'。对式(2)和(3)两边分别取对数并整理得到：

将图1的真应力-应变曲线数据按式（4）和（5）处理得到图3所示的应力(或峰值应力σp)和应变速率之间的关系曲线。从图3中可以看出，和关系曲线都近似呈线性，通过线性回归分析可得：β=0.069 31MPa-1，n'=7.5 264，进而计算得α=β/n '≈0.009 2 MPa-1。

图3 40CrNi2MoE钢峰值应力与应变速率的关系Fig.3 Relationship between peak stress and strain rate of 40CrNi2MoE steel

图4 40CrNi2MoE钢lnsinh(ασp)-ln及lnsinh(ασp)-1/ T的关系曲线Fig.4 lnsinh(ασp)-lncurves(a) and lnsinh(ασp)-1/ T curves(b) of 40CrNi2MoE steel

对式（1）两边取自然对数得：

当变形温度恒定时，式（6）两边对应变速率求偏导，得：

当变形速率恒定时，式（6）两边对1/T求偏导，得：

根据图1中的高温流变曲线数据，可得峰值应力与应变速率和变形温度之间的关系曲线，如图4所示。通过线性回归，可得出：A＝1.5 636×1013；n＝5.567 9，Q＝333.726 kJ·mol-1。将上述结果代入式（1）中，可以确立40CrNi2MoE钢的高温塑性变形本构方程为：

2.3 Zener-Hollomon因子

Z参数（Zener-Hollomon因子）被广泛用以表征变形温度与应变速率对热变形过程的综合作用。在热变形过程中，变形温度、变形速率与Z参数的关系式如下[11]：

将式（10）带入式（1）中可得：

Z=A[sinh(ασ)]n（11）

故40CrNi2MoE钢的Z参数表达式为：

Z=1.563 6×1013[sinh(0.009 2σ)]5.5679（12）

通过已求得的激活能，便可以计算得到不同变形条件下40CrNi2MoE钢的Z参数。由图5可以看出，随着Z值的增加，40CrNi2MoE钢热变形过程中的峰值应力相应增加，且lnZ与lnsinh(α σpp)呈线性关系，相关系数可达到0.991。

40CrNi2MoE钢在表现为动态再结晶型流变曲线的条件下，它的峰值应力应变εp与Z参数的自然对数之间也存在较好的线性关系，见图5（b）所示。从图中可以看出，发生动态再结晶的临界应变值随着Z参数的增大而增加，也就是说Z参数越大，试验钢发生动态再结晶将越困难，峰值应变εp和lnZ的线性关系式为：

εp=0.054lnZ-1.15 （13）

图5 40CrNi2MoE钢lnsinh(ασp)-lnZ和εp-lnZ的关系曲线Fig.5 lnsinh(ασp)-lnZ curve(a) and εp-lnZ curve(b)of 40CrNi2MoE steel

3 结 论

（1）在真应变为0.9，变形温度为1 123 K～1 423 K和应变速率为0.01～10 s-1的条件下，40CrNi2MoE钢的高温流变应力随变形温度的升高而减小，随着应变速率的提高而增大。

（2）随着应变速率的提高，40CrNi2MoE钢发生完全动态再结晶的临界温度逐渐升高，当应变速率为10 s-1时，变形温度高于1 323 K，才会发生完全动态再结晶，随着Z参数值增大，40CrNi2MoE钢发生动态再结晶将越困难，同时峰值应力应变随之增加，40CrNi2MoE钢峰值应变εp与Z参数之间满足εp=0.054lnZ-1.15。

（3）在温度为1 123～1 423 K和应变速率为0.01～10 s-1的条件下，40CrNi2MoE钢的热变形激活能为333.726 kJ·mol-1，其高温塑性变形本构方程为

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