一种高锰无磁钢高温变形行为及热加工图

赵 峻, 周 玉, 隋凤利, 李长生, 宗胜杰

(1. 巢湖学院 机械工程学院, 安徽 合肥 230000;2. 安徽工业大学 冶金工程学院, 安徽 马鞍山 243002;3. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110819)

无磁钢的组织在室温下为稳定的奥氏体态,所以在磁场的作用下基本不发生磁感应现象,磁导率小于1.5[1].无磁钢由于具有“无磁”的特性,广泛应用于航空航天、特种设备及国防军事等领域[2].近年来,对于无磁钢的研究重点领域主要集中在其组织与力学性能、塑性变形过程等方面[3-5],但系统研究其热变形行为却少见报道.材料在热加工过程中的热变形行为是制定其轧制、铸造等生产工艺的科学理论依据.材料的热变形主要包含本构方程和热加工图两方面的内容.热变形过程的参数对流变应力的影响可通过本构方程直观地反映出来,这对了解材料的变形特点有很大的帮助.国内外学者对材料的本构方程提出了多种模型,如Johnson-Cook模型、Arrhenius模型、Zerilli-Armstrong模型等.其中,Arrhenius模型的预测结果更为准确,故常被用于构建各种金属材料的本构方程[6].利用材料的热加工图可在一定的条件下描述材料的可加工性,这样可以减少制定热加工工艺的时间,节约成本.目前,热加工图主要可分为原子模型、动态材料模型及动力学模型3种.然而原子模型与动力学模型适用面较窄,往往只适用于简单合金的稳态变形过程.动态材料模型以大塑性变形连续介质力学、物理模拟以及不可逆热力学理论为基础,不仅解决了模型应用范围较窄的问题,还阐述了材料的本构方程与微观组织演变以及室温与热加工性之间所存在的关系[7].

因此,本文通过热物理模拟试验研究高锰无磁钢在不同变形温度及应变速率下的热压缩行为,进而建立该试验钢的高温本构方程,并利用动态材料模型建立其热加工图,确定其在不同应变条件下的热加工安全区域与失稳区域,为制定高锰无磁钢的生产工艺提供理论依据.

1 材料与方法

2 结果与分析

2.1 真应力-真应变曲线

高锰无磁钢在等温等速压缩变形时的真应力-真应变曲线如图1所示.由图1可以看出,在不同的变形条件下的高锰无磁钢真应力-真应变曲线的变化趋势大致相似.在热变形的初始阶段,随着变形程度的增加,材料的流变应力急速增加,这是由于此阶段材料内部以加工硬化为主,位错密度随着应变的增加而不断累积,导致流变应力急速增加[8],出现图1中的现象.当应变达到临界应变时,由于材料内部发生了动态回复或动态再结晶,产生了回复再结晶软化,抵消了一部分加工硬化,流变应力的增加速率减小[9];当加工硬化和动态软化达到动态平衡时,流变应力也保持一个相对稳定的状态.

图1 高锰无磁钢真应力-真应变曲线Fig.1 True stress-strain curves for high manganese non-magnetic steel

2.2 流变应力模型的建立

(1)

流变应力处于不同的水平条件时,F(σ)有以下3种表现形式:

(2)

分别对式(2)中不同应力水平条件下的函数等式两边取对数得:

(6)

当变形速率一定时,对式(5)两边1/T求偏导得:

(7)

令

(8)

对式(6)、式(7)联立,得:

(10)

式中,Z为温度补偿的应变速率因子.

将变形激活能Q代入式(10),则Z因子可表述为

(11)

当Q和T之间不相关时,对式(10)两边取对数得:

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)].

(12)

将对应的变形温度、应变速率和流变应力代入式(12),线性拟合lnZ-ln[sinh(ασ)]的关系,如图3所示.线性回归直线的截距lnA=36.111 64,则A=4.82×1015.

图3lnZ-ln[sinh(ασ)]的线性拟合关系图

Fig.3DiagramoflinearfittingrelationshipbetweenlnZandln[sinh(ασ)]

将求得的参数值α、A、n、Q代入等式(10)中,可得到高锰无磁钢的高温流变应力本构方程

根据式(10),可将流变应力σ表示为Z因子的函数

(14)

因此,实验研究的高锰无磁钢包含Z因子的高温流变应力本构方程可表示为

2.3 热加工图的构建与分析

根据动态材料模型(DMM)的理论,材料在发生塑性变形时所吸收的总功率P可以由耗散量G和协耗散量J组成.其中耗散量G是材料发生塑性变形造成的功率消耗,其中大部分转化成黏塑性热,其余以晶体缺陷能的形式存储,协耗散量J为材料变形过程中组织演化所消耗的能量.这一过程可表示为[13-14]

(16)

热加工过程中耗散量G和协耗散量J的瞬时分配比例由材料在一定应力条件下的应变速率敏感指数m决定,

(17)

协耗散量J可表示为

(18)

其中,m值随着随温度和应变速率呈非线性变化.当m=1时,材料处于力量线性耗散状态,J达到最大值,即

(19)

式(19)引入功率耗散因子η,则材料成形过程中显微组织演变所消耗的能量与线性耗散能量的关系可表示为

(20)

(21)

图4是实验高锰无磁钢在应变为0.3、0.4、0.5、0.6时的热加工图,图中的等值线数值是能量耗散率η值,其灰色区域代表加工失稳区域,其余区域为加工稳态区域.

图4 不同应变量下实验高锰无磁钢的热加工图Fig.4 Thermal processing maps of the experimental high manganese steel under different strains(a)—ε=0.3; (b)—ε=0.4; (c)—ε=0.5; (d)—ε=0.6.

由图4可以看出,在不同应变条件下,功率耗散因子η极大值都出现在低应变速率和高变形温度条件下,且η值随着变形温度的增加逐渐增大.由图4a可见,0.3应变下的失稳区域主要集中在低温(900～1 000 ℃)、低应变速率(0.1～1.0 s-1)和高温(1 000～1 100 ℃)、高应变速率(8.0～10.0 s-1)条件下;由图4b、图4c可见,0.4和0.5应变下的失稳区域较为相似,其失稳区域主要集中于低温(900～970 ℃)、低应变速率(0.1～0.5 s-1)和整个高应变速率区域(8.0～10.0 s-1);由图4d可见,0.6应变下的失稳区域几乎贯穿于整个高应变速率(7.0～10.0 s-1)区域.避开失稳区域选择功率耗散因子η较大值对应的区域即为最佳变形区.由此可得实验高锰无磁钢在各变形条件下的最佳加工工艺参数:应变为0.3时,最佳变形区域为温度1 050～1 100 ℃,应变速率0.1～0.3 s-1;应变为0.4时,最佳变形区域温度为1 050～1 100 ℃,应变速率0.1～0.5 s-1;应变为0.5时,最佳变形区域温度为1 000～1 100 ℃,应变速率0.1～0.6 s-1;应变为0.6时,最佳变形区域温度为1 000～1 100 ℃,应变速率0.1～0.5 s-1.综合各应变下的热加工图,可得到该实验钢种最优的变形温度和应变速率分别为1 050～1 100 ℃和0.1～0.3 s-1.

3 结 论

2) 在不同应变条件下,加工图中功率耗散因子η的极大值都出现在低应变速率和高变形温度下,且随着变形温度的增加,η值逐渐增大;流变失稳区主要存在于低温低应变速率区和高温高应变速率区.

3) 实验钢种的最优热加工工艺参数:变形温度为1 050～1 100 ℃,应变速率为0.1～0.3 s-1.