鑄態(tài)高速鋼熱壓縮變形的數(shù)值模擬

由于高速鋼具有良好的紅色強度和抗疲勞動性，因此被廣泛應(yīng)用為工具、模具和輥壓材料。粗大枝晶和網(wǎng)狀萊氏體組織是鑄造高速鋼組織的典型特征,因其嚴(yán)重割裂基體,惡化力學(xué)性能,從而限制了高速鋼的應(yīng)用。通過對鑄造高速鋼進行鍛壓、軋制等熱加工,既可以使連續(xù)的網(wǎng)狀萊氏體斷開,也可以使萊氏體中的共晶碳化物逐漸破碎并沿壓延方向成條帶狀或變形網(wǎng)狀分布,最終使共晶碳化物分布的均勻性得到改善,從而提高材料的致密度和力學(xué)性能。關(guān)于AISIM2高速鋼的流變行為、形變再結(jié)晶及熱塑性方面的一些研究結(jié)果表明,變形條件及碳化物強烈影響高速鋼的流變行為,而且動態(tài)再結(jié)晶是熱變形過程中高速鋼的主要軟化機制。Imbert等發(fā)現(xiàn)在900~1150℃及0.1~5s-1條件下變形時,M2高速鋼的熱變形激活能受碳化物影響很大,并按溫度區(qū)間進行了分段表征。然而,這些研究所用的試驗材料都是鍛態(tài)或軋制態(tài),其碳化物組織形態(tài)與鑄態(tài)的差異很大。盡管張彩東等報道了雙輥薄帶連鑄亞快速凝固工藝和熱處理對M2高速鋼鑄帶中碳化物的影響,但關(guān)于熱變形條件下鑄態(tài)M2高速鋼的力學(xué)行為及組織變化規(guī)律,迄今還不十分清楚。本文著重研究鑄態(tài)M2高速鋼在1000~1150℃及0.01~1.0s-1條件下的變形行為,確定其熱變形方程,繪制熱加工圖并分析顯微組織,為科學(xué)制訂鑄態(tài)高速鋼熱加工工藝制度提供理論依據(jù)。1試驗冷卻和試驗過程熱變形試驗在Gleeble-3500熱模擬試驗機上進行,采用尺寸為ue7888mm×15mm的柱形試樣。試樣以10℃/s的速度加熱至1200℃,保溫10min,然后以10℃/s的速度分別冷卻到不同變形溫度,保溫5s以消除溫度梯度,再進行壓縮變形。變形溫度分別為1000、1050、1100和1150℃,應(yīng)變速率分別為0.01、0.1和1.0s-1,應(yīng)變?yōu)?.0(63%),變形后立即水淬,以保留高溫組織。試驗過程中在試樣兩端與試驗機壓頭之間加厚度約為0.1mm的鉭片和涂抹MoS2,抽真空并充入氬氣以防止試樣氧化。變形后的試樣沿軸線切開,使用100ml飽和苦味酸溶液加少量十二烷基苯磺酸鈉的混合溶液腐蝕試樣奧氏體晶界,利用金相顯微鏡觀察分析熱變形后的組織特性。2結(jié)果與分析2.1變形溫度對流變應(yīng)力的影響鑄態(tài)M2高速鋼在1000~1150℃及0.01~1.0s-1條件下進行應(yīng)變1.0(63%)壓縮變形后的流變曲線如圖1所示。從圖1可知,鑄態(tài)M2高速鋼的流變應(yīng)力和峰值應(yīng)變均隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高而增大。當(dāng)變形溫度相同時,應(yīng)變速率越高,試樣的加工硬化率越大,峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力也隨之提高;應(yīng)變速率相同時,變形溫度越高,動態(tài)軟化程度越大,動態(tài)軟化速率加快,而峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力逐漸降低;變形量相同時,流變應(yīng)力隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高而增大。另外,在應(yīng)變速率恒定的條件下,隨著變形溫度的升高,應(yīng)力峰值所對應(yīng)的應(yīng)變(即峰值應(yīng)變)逐漸變小,原子擴散能力及晶界的可動性增強,動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶越容易發(fā)生。從圖1還可以看出,當(dāng)變形速率為0.01s-1時,鑄態(tài)M2高速鋼在1000℃以上會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶;當(dāng)變形速率為0.1和1.0s-1時,且變形溫度低于1050℃時,流變曲線呈現(xiàn)出部分動態(tài)再結(jié)晶的特征,即當(dāng)應(yīng)力超過峰值應(yīng)力后,隨著應(yīng)變量的不斷增大,流變應(yīng)力逐漸下降,但穩(wěn)態(tài)應(yīng)力平臺變化不特別明顯(見圖1b和c)。再有,試樣在較高應(yīng)變速率下變形時,由于變形時間短,形變熱來不及散發(fā)出去,試樣溫度不可避免地升高,進而導(dǎo)致流變軟化,也會對流變曲線的形狀產(chǎn)生影響,在本研究中,試樣在變形溫度為1000℃、應(yīng)變速率為1.0s-1時,溫升最大達7℃,估算其流變軟化可達17MPa,顯然這個數(shù)值會對峰值應(yīng)力為319MPa的曲線有一些影響(見圖1c)。2.2流變速度及流變參數(shù)a金屬材料的熱變形過程是一個熱激活過程,其流變應(yīng)力與材料化學(xué)成分、變形溫度T、應(yīng)變速率6)ε及變形量ε有關(guān)。成分確定材料的流變應(yīng)力σ與變形條件之間的關(guān)系可用雙曲正弦函數(shù)描述:式中,Q為熱變形激活能,σ為峰值應(yīng)力σp或穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力σs,或相應(yīng)于某特定應(yīng)變量的流變應(yīng)力,本文中σ為σp;R為氣體常數(shù),T為絕對溫度,n為應(yīng)力指數(shù),α可通過計算獲得,A為材料常數(shù)。對在1000~1150℃及0.01~1.0s-1變形條件下所得的流變曲線進行處理后,可得到峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系曲線,經(jīng)回歸處理后可得,A=1.81×1020,n=5.781,α=0.00482,Q=550.16kJ/mol,故鑄態(tài)M2高速鋼的熱變形方程為:顯然,本文所獲得的鑄態(tài)M2高速鋼熱變形激活能與Imbert和Milovic研究結(jié)果相比,數(shù)值相對偏高,這可能與熱變形條件、變形時的奧氏體組織狀態(tài)、碳化物的種類和數(shù)量等因素有關(guān)。對于高合金鋼,熱變形條件不同(如變形溫度不同),所具有的物相組成及組織狀態(tài)將不同,熱變形的難易程度也不同,從而使其熱變形激活能也不同。例如,軋制態(tài)M2高速鋼在900~1000℃熱扭轉(zhuǎn)變形時,其熱變形激活能也可達到715kJ/mol。對于本文所用的鑄態(tài)M2高速鋼,其初始顯微組織狀態(tài)與鍛態(tài)或熱軋態(tài)M2高速鋼的也明顯不同,尤其是粗大的樹枝晶和連續(xù)網(wǎng)狀的萊氏體組織在熱變形過程中需要破碎,從而造成其熱變形激活能的差異。2.3變形溫度和應(yīng)變速率對能量消耗效率的影響基于動態(tài)材料模型理論和基本方法及實驗結(jié)果(見圖1),得到鑄態(tài)M2高速鋼的熱加工圖如圖2所示。圖2中的等高線數(shù)字表示能量消耗效率η。從圖2可以看出,應(yīng)變量對鑄態(tài)M2高速鋼熱加工圖的形狀有一定影響,能量消耗效率η隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的增加而增大。當(dāng)應(yīng)變量較小時(見圖2a),在1050~1150℃、0.01~1.0s-1區(qū)域內(nèi),隨著溫度的升高和應(yīng)變速率ε的增大,η逐漸增大,且在1150℃和1.0s-1時,η達到峰值45%左右;當(dāng)應(yīng)變量較大時(見圖2b),η相對降低,較高值出現(xiàn)在1050~1150℃和1.0s-1附近區(qū)域。熱加工圖中不同區(qū)域η值的差別,一方面反映了熱變形溫度及應(yīng)變速率的不同,另一方面,也反映了熱變形過程中組織變化的不同,對熱加工圖進行精確的解釋,還需借助于組織觀察的結(jié)果。2.4以應(yīng)變速率為2.0s-1變形相模型參照熱加工圖,圖3給出了鑄態(tài)M2高速鋼在不同條件下的典型組織。顯然,在1100~1150℃、0.01~1.0s-1變形時,鑄態(tài)M2高速鋼均發(fā)生了完全動態(tài)再結(jié)晶,且在1150℃和1.0s-1變形時晶粒較為細(xì)小,為1~2μm(見圖3a)。此外,以應(yīng)變速率0.1和0.01s-1變形時(見圖3b、3c、3d),部分再結(jié)晶晶粒已經(jīng)有所長大,最大的可達15μm(見圖3c),有的動態(tài)再結(jié)晶晶粒大小極不均勻(見圖3d)。結(jié)合熱加工圖分析和變形后的顯微組織分析不難看出,在1050~1150℃溫度區(qū)間以0.01~1.0s-1的應(yīng)變速率進行變形,為鑄態(tài)M2高速鋼的熱加工工藝條件,在此條件下進行熱加工,能量消耗效率較高,且其變形機制為動態(tài)再結(jié)晶。另外,在加工圖中1100℃和0.01s-1附近及最右下角的區(qū)域(見圖2b),屬于晶粒長大區(qū),雖然已發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,但由于晶粒的長大,能量消耗率η并不大。相對而言,完全再結(jié)晶區(qū)具有較高的能量消耗效率,而部分再結(jié)晶及晶粒長大區(qū)的能量消耗效率則較低,能量消耗效率的變化與再結(jié)晶進展相吻合。3u2004研究區(qū)及材料政策建議1)測定了鑄態(tài)M2高速鋼在1000~1150℃以0.01~1.0s-1變形時流變曲線,其流變應(yīng)力和峰值應(yīng)變均隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高而增大;3)獲得了鑄態(tài)M2高速鋼的熱加工圖,其能量消耗效率η隨變形溫度的升高及應(yīng)變速率的提高而增大,且在1150℃和1.0s-1條件下變形時,η接近峰值,動態(tài)再結(jié)晶晶粒較為細(xì)小;4)建議鑄態(tài)M2高速鋼的熱加工工藝條件為:1050~1150℃和0.01~1.0s-1。實驗材料為工業(yè)用鑄態(tài)M2高速鋼錠,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:0.87C,6.06W,4.79Mo,4.09Cr,1.89V