30Cr2Ni4MoV钢的动态软化机制分析

曹志远 季 雪 程幸叶 牛广斌

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

30Cr2Ni4MoV材料一般应用于火力发电、燃气发电、核电机组的低压和发电机转子锻件。研究其动态软化机制包括动态回复和动态再结晶机理对制订大型自由锻件的制造工艺和提高产品质量有着重要的指导意义。

1 实验内容及结果

动态软化机制分为动态回复和动态再结晶两种机制。为了更好的了解这两种动态软化机制在30Cr2Ni4MoV材料中高温塑性变形中的表现形式我们设计了如下实验方案：

1.1 30Cr2Ni4MoV材料的高温塑性实验及结果

采用∅10 mm×15 mm试样，应变速率分别为1 s-1、0.1 s-1、0.01 s-1，温度范围为850～1 200℃，真实应变为1.2，在Gleeble-3500热模拟实验机上每间隔50℃做高温压缩实验。

获得30Cr2Ni4MoV材料的真实应力应变曲线见图1～图3。

1.2 不同变形量下的30Cr2Ni4MoV材料的高温压缩实验内容及结果

采用∅10 mm×15 mm试样，按接近水压机实际的应变速率0.01 s-1、温度1 200℃和不同的压下量在Gleeble-3500热模拟实验机上做高温压缩实验，每个试样变形后立即水冷保留高温形变下的原始晶粒。实验参数详见表1，实验结果见图4～图11。

图1 流变曲线(1 s-1)Figure 1 The stress-strain curve (1 s-1)

图2 流变曲线(0.1 s-1)Figure 2 The stress-strain curve (0.1 s-1)

图3 流变曲线(0.01 s-1)Figure 3 The stress-strain curve (0.01 s-1)

表1 不同变形量下高温压缩实验参数Table 1 The experiment parameter of high temperature compression with different reduction

图4 A1流变曲线Figure 4 The A1 stress-strain curve

图5 A2流变曲线Figure 5 The A2 stress-strain curve

图6 A3 流变曲线Figure 6 The A3 stress-strain curve

图7 A4流变曲线Figure 7 The A4 stress-strain curve

图8 A1晶粒照片Figure 8 The A1 metallograph

图9 A2晶粒照片Figure 9 The A2 metallograph

图10 A3晶粒照片Figure 10 The A3 metallograph

图11 A4晶粒照片Figure 11 The A4 metallograph

1.3 模拟工程情况下的高温压缩实验内容及结果

采用∅10 mm×20 mm试样，在Gleeble-3500热模拟实验机上做模拟工程情况下的高温压缩实验，每个试样变形后立即水冷保留高温形变下的原始晶粒。实验参数详见表2，实验结果见图12～18。

表2 模拟工程情况下高温压缩实验参数Table 2 The experiment parameter of high temperature compression under analog enginering condition

图12 试样M1的流变曲线Figure 12 The M1 stress-strain curve

图13 试样M2的流变曲线Figure 13 The M2 stress-strain curve

图14 试样M3的流变曲线Figure 14 The M1 stress-strain curve

图15 试样M1的晶粒照片Figure 15 The M1 metallograph

图16 试样M2的晶粒照片Figure 16 The M2 metallograph

图17 试样M3的晶粒照片Figure 17 The M3 metallograph

图18 试样M4的晶粒照片Figure 18 The M4 metallograph

2 动态软化机制的分析

水压机锻造的大型锻件的应变速率一般接近于0.01 s-1，锻件心部高温塑性变形温度范围为1 100～1 200℃，一般来说判断动态再结晶开始的临界应变εc和峰值应变εp之间的关系为：εc=0.8εp。从图3所示的30Cr2Ni4MoV材料的应力-应变曲线可以得出不同温度下的εc、εp，换算成的工程应变见表3。

表3 不同温度下的临界应变εc和峰值应变εpTable 3 The critical strain εc and peak strain εp under different temperature

从应力-应变曲线上来看，在30Cr2Ni4MoV材料进行高温塑性变形过程中，从变形一开始就不断进行动态回复，缓慢的动态回复在ε<εc前提供了一个额外的软化过程。从应力递增的趋势我们可以得出此阶段主要还是加工硬化占据主导地位，图17的晶粒照片表明5%的变形条件下尚未发生动态再结晶；当εc<ε<εp时，由于缓慢的动态回复为变形中的动态再结晶提供了足够的驱动力，在变形量达到临界应变εc时动态再结晶开始成核。在达到流变曲线峰值应力之前会同时存在动态回复和动态再结晶两种软化机制，在硬化和软化的平衡关系中仍以加工硬化为主，图8的晶粒照片表明10%的变形条件下有局部晶粒发生动态再结晶；当εp<ε<εs(稳态应变)时会发生动态再结晶，此时软化与硬化趋于平衡，从应力-应变曲线上解读为震荡的多峰曲线。图18的晶粒照片表明在15%的变形量下动态再结晶晶粒和动态回复晶粒同时存在；当ε>εs时动态软化为完全动态再结晶，当再结晶晶粒均匀化后与加工硬化趋于平衡表现出平滑直线。图9、10、11的晶粒图片显示20%、30%、40%的变形下晶粒尺寸相当均匀细小，均以动态再结晶的形式存在，同时也说明了30Cr2Ni4MoV材料在20%的应变下可获得完全的动态再结晶晶粒。

变形过程中对钢的软化起作用的是动态再结晶和动态回复。变形停顿期间对钢起软化作用的是亚动态再结晶、静态再结晶和静态回复，对钢起硬化作用的是高温下晶粒长大和温度的下降。为了更好的研究水压机自由锻造过程中多道次变形过程中软化机制的复杂规律，根据我们所获得的Ni4材料的流变曲线我们制定了模拟方案3。M1中的ε工程应变=0.2>εp所得的流变曲线显示每道次的变形均经历了由动态回复→动态回复+动态再结晶→动态再结晶的过程，每道次发生动态再结晶的峰值应变εp相同而峰值应力随道次变化明显减小，这主要是因为大变形中奥氏体已经完全发生了动态再结晶，再次变形时软化和硬化重新相互作用，峰值应力因前道次动态再结晶的发生而逐渐减小；M2和M3中的ε工程应变分别为10%和5%，每道次的变形只经历了动态回复阶段，再次变形时软化和硬化重新相互作用，峰值应力因前道次动态回复作用随压下道次有逐渐减小的趋势；从实验所得的晶粒图片上看图18的照片晶粒尺寸差较大，晶粒尺寸最不均匀。

3 结论

通过对30Cr2Ni4MoV材料的动态软化机制的试验分析可以得出以下结论：

(1)30Cr2Ni4MoV材料在温度区间为1 100～1 200℃，应变速率接近0.01 s-1的前提下要保证整个截面均匀的获得动态再结晶晶粒，其等效应变ε应在0.2以上；

(2)30Cr2Ni4MoV材料在水压机自由锻造过程中ε<εc时所获得的驱动力不足以令该材料发生动态再结晶。在应变速率、温度不变的前提下，单道次变形量是其获得动态再结晶的唯一参数，即便多道次、多工步累加的变形量ε累加>εc也不能获得动态再结晶晶粒；

(3)30Cr2Ni4MoV材料在水压机多道次的自由锻造过程中ε>εc时，动态再结晶在Ni4材料中明显的降低了流动应力，减小了材料抗力；

(4)实际生产过程中应尽力避免εp<ε<εs(稳态应变)的变形区间，此区间易造成30Cr2Ni4MoV材料的热变形晶粒尺寸不均，造成混晶。

[1] 何宜柱，雷廷权.热变形动态软化本构模型. 钢铁.1999，34(9).

[2] 潘金生，健民仝，田民波.材料科学基础.清华大学出版社.1998.