井口头锻件用AISI 4140钢高温热压缩变形行为研究

刘建宇，张留军，张心金，朱 琳，董治中

（1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457）

海洋水下井口装置是海洋油气勘探开发中的重要单元装备，由于处于海底高压、低温、海水和油气腐蚀等恶劣的工况下，海底装备的性能和质量对油井安全起着至关重要的作用[1].我国尚未拥有实施深海油气勘探开发的技术和装备，特别是水下油气勘探开发领域，所使用的关键及核心材料水下井口头锻件全部依靠进口[2].因此急需推动相关装备，如深水隔水管系统、水下井口系统、水下防喷器及深水半潜式钻井平台等深水钻井关键装备的研制[3-4].深水钻井装备技术水平关系着我国走向深蓝及油气勘探开发的步伐.选择、设计和制造高压力级别的深海井口系统用锻件材料，努力开发属于我国自主知识产权的海洋水下井口装置装备，对我国今后大力实施海洋油气资源高效开发具有十分重要的意义.

AISI 4140是一种低合金高强度钢，具有高强度、高韧性、优异的低温韧性及耐H2S腐蚀等众多综合性能，已应用于海底关键装备的防喷器和石油深井钻杆接头等高压井口设备中[5-6]，被认为是国内高压井口国产化的目标材料之一.针对AISI 4140钢，国内外已报道了相变、疲劳及腐蚀等方面的研究，如：Kov-Aci.H等[7]研究了喷丸预处理和等离子渗氮参数对AISI 4140低合金钢的组织以及力学和摩擦性能的影响，Sarioglu等[8]研究了在氢氧化钠溶液中AISI 4140钢的应力腐蚀开裂行为，窦强将等[9]利用超声疲劳试验方法研究了不同回火温度对AISI 4140钢疲劳性能的影响以及其裂纹萌生机理，蒋波等研究了奥氏体形变以及Mn元素对AISI 4140钢的连续冷却相变组织的影响[10].关于AISI 4140钢的热压缩流变行为研究鲜有报道.本文通过热模拟研究AISI 4140钢在热压缩过程中不同温度及应变速率下的流变行为，建立高温流变应力本构模型，获得塑性变形的基本参数，为确定井口头铸锻件的热加工生产工艺提供必要的实验数据和可靠的理论依据.

1 实验材料与方法

采用真空电磁感应炉炼制试验用钢，铸锭约为40 kg，其化学成分列于表1.

表1 AISI 4140钢化学成分表（%，质量分数）Tab.1 Chemical composition of AISI 4140 steel（%，massfraction）

图1 热压缩工艺图Fig.1 Diagram of hot compression process

2 结果与分析

2.1 应力-应变曲线及组织形貌

图2所示为在不同应变速率和应变温度条件下AISI 4140钢的应力-应变曲线.如图2（a）所示，

在应变速率为10 s-1时应力应变曲线并未出现峰值，说明在整个热加工过程中处于加工硬化阶段.从图2（b）可以看出，应变速率为1 s-1时，在1 200℃应力应变曲线出现了很明显的峰值，即发生动态再结晶.在应变速率为0.1 s-1时，如图2（c）所示，有明显加工硬化现象的温度区间是850～950℃，有动态回复现象发生的是1 000℃，而在1 050～1 200℃可以观察到曲线出现峰值，即有动态再结晶现象的发生.由以上现象还可以看出，在相同应变速率下，峰值应力随着变形温度升高逐渐下降[11].

图2 不同应变速率下AISI 4140钢热压缩真应力-应变曲线Fig.2 True stress-strain curvesof AISI 4140 steel under hot compression at different strain rates

从图3（a）可以看出，当变形温度为950℃时，应变速率为0.1 s-1时峰值应力为97 MPa，而当应变速率增至10 s-1，峰值应力也随之增加到183 MPa.当变形温度为1 150℃时，如图3（b）所示，也可以看到峰值应力随着应变速率的增加而升高.而且只在应变速率为0.1 s-1时，出现明显的应力峰值，发生动态再结晶现象.由此可以看出：温度相同时，随着应变速率升高，峰值应力也随之增加.且较低的应变速率更容易出现动态再结晶现象.

图3 不同变形温度下AISI 4140钢热压缩真应力-应变曲线Fig.3 True stress-strain curves of AISI 4140 steel under hot deformation at different deformation temperatures

图4 所示为不同变形条件压缩后AISI 4140钢的组织形貌图.从图4（a）和（b）可以看出，在变形温度为950℃压缩时，出现少量长条状晶粒.且试样产生明显变形带，说明晶粒在压缩过程中被拉长，处于加工硬化状态.图4（c）和（d）为变形温度1 150℃时，不同应变速率压缩后的组织，可以看出该材料在1 150℃压缩后均发生再结晶过程.是由于在较高温度时，原子热激活能量高，增大了位错滑移和攀移、元素扩散以及晶界迁移的驱动力，更容易发生动态再结晶[12].对比两图后可得知，由于应变速率增加，导致变形产生的位错密度随之增大，从而抑制晶粒生长[13]，故应变速率为0.1 s-1是的晶粒要大于应变速率为1 s-1.

图4 不同变形条件后AISI 4140钢的显微组织Fig.4 Microstructureof AISI 4140 steel after different deformation conditions

2.2 AISI 4140钢的热变形本构方程

根据C.M.Sellars等人所提出的双曲正弦形式，可以将热变形条件下流变应力、变形速率和温度的关系表示为[14-16]：

式中，F（σ）为应力的函数.其中A为与变形无关的常数，R为气体常数（8.314 J（/mol·K）），T为热力学温度（K），Q为变形激活能（J/mol），σ表示峰值应力（MPa）.

图5 不同热变形温度下峰值应力σ与应变速率ε˙的关系Fig.5 Relation between strain rate and peak stress at different deformation temperatures

图6 峰值应力与应变速率、变形温度之间的关系Fig.6 Relation between peak stress and strain rate and deformation temperature

图7为峰值应力与Z参数的变化关系.对图7中数据进行线性回归分析，其斜率的自然对数ln A=26.43.

最后将所求得的各个参数代入式（1），即可得到A?ISI 4140钢高温流变应力本构方程：

从图7峰值应力的Z参数的拟合曲线可以看出，拟合精度较高，为0.956.表明此热变形方程可以很好地预测AISI 4140钢的热加工过程.

图7 峰值应力与Z参数的变化关系Fig.7 Relation between peak stressand parameter Z

2.3 AISI 4140钢的热加工图

Prasad等[18]根据动态材料模型建立的材料热加工图可以较为直观的反映不同温度及应变速率下材料的变形规律.利用m来表示材料的应变硬化敏感指数，m可通过-得到.功率耗散效率因子η与应变速率敏感指数m的关系可表示为[19]：

图8所示分别为AISI 4140钢在应变量为0.6与0.8时的热加工图.在能耗图中观察到的阴影区域为流变失稳区，说明在该区域发生变形效率值较低，其他区域代表变形稳定区.在后续加工过程中，应避免在失稳区变形.

当应变量为0.6时，应变速率在2.33～10 s-1时，在1 100～1 200℃范围内，该钢处于热加工变形的失稳区.当应变速率较高时，材料在相界面或者晶粒界面处会更加容易发生滑移现象，从而导致界面处产生应力集中，引起界面开裂.当应变速度低于2.33 s-1时，整个850～1 200℃范围内，该钢处于热加工变形的安全区.当应变量为0.8时，失稳区主要分布在900℃以下，应变速率在0.1～10 s-1和温度在1 050～1 150℃，应变速率在3～10 s-1处.主要是因为随着应变量增大，材料变形较剧烈，位错急剧增加，形成大量缺陷[20].在高应变速率下，较低的温度会促使位错密度增大而形成应力集中区，形成失效区.因此，确定AISI 4140钢的最佳热加工变形条件范围为：温度在1 050～1 200℃，应变速率在0.1～1 s-1.

图8 AISI 4140钢的热加工图Fig.8 Hot processing map of AISI 4140 steel

3 结论

1）AISI 4140钢在高温变形过程中，流变应力受到应变速率和温度的影响.相同的温度下，随着应变速率增大，流变应力也随之增大.相同的应变速率下，温度升高，流变应力随之降低.

2）AISI 4140钢在应变速率为10 s-1，主要表现为动态回复特征.在应变速率为0.1～1 s-1且温度在1 050℃以上会发生动态再结晶过程.

3）AISI 4140钢的动态变形激活能为：Q=427.469 kJ/mol，热压缩变形的流变应力本构方程为：程可以很好的预测试验材料的实际热加工过程.

4）AISI 4140钢的最佳热加工变形条件为：温度在1 050～1 200℃，应变速率在0.1～1 s-1.热加工后获得了大小均匀的再结晶组织.