1、第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023基于摩擦修正的 GE1014 钢热本构方程及热加工图廉学魁,韩 顺,刘 跃,厉 勇,王春旭,王毛球(钢铁研究总院有限公司,北京 100081)摘要:对 GE1014 钢进行了热变形温度为 8501200、应变速率为 0.0110 s-1、应变量为 0.7 条件下的高温轴向压缩试验,对流变曲线进行了摩擦修正,建立了 GE1014 钢的热本构方程和 Z 参数方程,基于动态材料模型理论建立了 GE1014 钢的热加工图,并通过材料变形后的显微组织分析确定了热加工图
2、的准确性和最后热变形区域。结果表明,摩擦效应在低变形温度或高应变速率条件下对 GE1014 钢的高温流变曲线影响显著;计算得到摩擦修正后的 GE1014 钢的热变形激活能为 400.197 kJmol-1;当试验钢的真应变为 0.4 和 0.7 时,在试验条件下的高温、低应变速率区的能量耗散效率 达到最大值 0.34。综合分析热加工图及试验钢的显微组织,确定了 GE1014 钢在变形温度为 11001150、应变速率为 0.1 s-1条件下能够获得均匀、细小的完全动态再结晶组织,此时 GE1014 钢的热加工性能最好。关键词:GE1014 钢;高温流变曲线修正;动态再结晶;本构方程;热加工图D
3、OI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.031中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0219-08Thermal constitutive equation and thermal processing map on GE1014 steel based on friction correctionLian Xuekui,Han Shun,Liu Yue,Li Yong,Wang Chunxu,Wang Maoqiu(Central Iron and Steel Research Institute Co.,
4、Ltd.,Beijing 100081,China)Abstract:The high temperature axial compression test was conducted on GE1014 steel under the conditions of the thermal deformation temperature of 850-1250,the strain rate of 0.01-10 s-1 and the deformation amount of 0.7,and the rheological curves were modified by friction c
5、orrection.Then,the thermal constitutive equation and Z parameter formula of GE1014 steel were established,and the thermal processing map of GE1014 steel was established based on the theory of dynamic material model.Finally,the accuracy of thermal process-ing map and the optimum thermal deformation z
6、one were confirmed by analyzing the microstructure of the material after deformation.The results show that friction effect significantly affects the high temperature rheological curve of GE1014 steel at low deformation temperature or high strain rate,and the thermal deformation activation energy of
7、GE1014 steel after fiction correction is calculated as 400.197 kJmol-1.When the true strain of the test steel is 0.4 and 0.7 respectively,the maximum energy dissipation efficiency under the high temperature and low strain rate reaches the maximum of 0.34.Comprehensively analyzing the thermal process
8、ing map and the microstructure of the test steel,it is determined that the GE1014 steel under the deformation temperature of 1100-1150 and the strain rate of 0.1 s-1 can obtain the uniform and fine fully dynamically recrystallized structure,and the thermal workability of GE1014 steel is the best at
9、this time.Key words:GE1014 steel;high temperature rheological curve correction;dynamically recrystallized;constitutive equation;thermal processing map收稿日期:2022-05-10;修订日期:2022-08-12作者简介:廉学魁(1984-),男,博士研究生E-mail:lxk-84 通信作者:韩 顺(1987-),男,博士,高级工程师E-mail:hanshunfa 一直以来,AerMet100、AF1410 等二次硬化型超高强度钢被广泛应用于
10、航空航天等尖端领域,该类超高强度钢的综合性能优异,主要依靠 M2C(M=Cr、Mo)等碳化物析出进行强化。随着现代航空对高强度、抗疲劳关键承力构件要求的提升,新型复合析出强化的二次硬化超高强度钢成为了国内外科研人员和制造商的研究热点1-5,其高强度主要来源于马氏体基体及回火析出的纳米级 M2C 等碳化物、-NiAl 等金属间化合物,航空发动机低压涡轮轴用 GE1014 钢为复合析出强化超高强度钢的典型代表6-8。热变形属于锻压成形技术的一种,是金属材料成形的主要方式,不仅能够减少材料加工损耗、获得零件的毛坯形状,还可以控制热变形工艺的参数,达到细化和改善材料微观组织和力学性能的目的,从而得到高
11、质量的构件9。GE1014 钢作为航空发动机关键轴构件的制造材料,其热变形工艺对材料的组织性能至关重要,本文使用热模拟试验机对 GE1014 钢开展了等温轴向热压缩试验,针对其高温塑性变形行为开展研究,分析试验钢在不同变形温度和应变速率条件下的热变形行为并进行摩擦修正,建立热变形本构方程、Z 参数方程和热加工图,研究高温变形规律及显微组织变化,为 GE1014钢的热加工成形确定最佳工艺范围提供数据支撑。1 试验材料及方法GE1014 试验钢采用真空感应和真空自耗重熔工艺熔炼,主要化学成分如表 1 所示,熔炼后开坯锻造为 100 mm 的棒料并进行退火,之后将材料加工为 10 mm 15 mm
12、的热压缩试样。表 1 试验用 GE1014 钢的主要化学成分(%,质量分数)Table 1 Main chemical compositions of GE1014 steel for test(%,mass fraction)CCoNiCrMoAlFe0.219.9914.112.421.440.90余量热压缩试验设备的型号为 Gleeble-3800,为提高试样高温变形的均匀性及流变的稳定性,试验前在试样端面涂抹高温润滑剂 Mo2S 以改善润滑,同时在试样与模具之间垫钽片来降低摩擦。首先,以10 s-1的升温速度将试样加热至 1200,保温300 s 后,再以 10 s-1的降温速度冷却至
13、变形温度(变形温度区间为 8501200),保温 5 s 后以不同的应变速率进行轴向热压缩(应变速率控制区间为 0.0110 s-1),变形后立刻喷水冷却。在变形过程中,试样的最大真应变为 0.9。2 试验结果与分析2.1 真应力-真应变曲线及摩擦修正由于无法完全消除试样和模具之间的摩擦,试样压缩后沿金属流动方向会产生明显的鼓包,如图1 所示,其中,RM、RT分别为试样热变形后鼓包处的最大半径与端面半径,h 为热压缩后试样的高度,h0、R0分别为试样的初始高度及半径。这是由于热变形过程中不均匀的塑性变形导致的,即使在热压缩试验前涂抹润滑剂,也不能忽略摩擦对热变形的图 1 试样在热变形前后的示意
14、图(a)热变形前(b)热变形后Fig.1 Schematic diagrams of specimen before and after hot deformation(a)Before hot deformation(b)After hot deformation影响。即在试样实际发生热变形的过程中,试样端部金属的径向流动被摩擦限制,使得压缩过程中试样理想的应力状态发生改变,导致最终计算的真应力-真应变曲线存在一定的误差,反映在真应力-真应变曲线上就是真应力偏高,而且摩擦引起的误差会随应变的增加越来越显著,所以需要对其进行摩擦修正10-11。通常,摩擦修正后的应力与未修正的应力之间存在以下关
15、系式:01=8bRiHi112+HiRib()2|32-HiRib()3-me-b224 3 e-b2-1()(1)式中:1为经过摩擦修正后的应力;0为热压缩试验实测的原始应力;Ri和 Hi分别为热压缩过程中的试样的瞬时半径和瞬时高度;m 为摩擦因数;b为鼓包参数;e 为自然常数,一般取值 2.718。Ri、Hi、m 和 b 可由式(2)式(5)计算:Ri=R0exp2()(2)Hi=h0exp-2()(3)m=(Rave/h)b43-(2b/3 3)(4)b=4(RM-RT)Ravehh0-h(5)式中:为试样压缩的应变值;Rave为试样压缩后的平均直径。其中,式(4)、式(5)中 Rave
16、和 RT可由式(6)、式(7)计算:Rave=R0h0h(6)022锻压技术 第 48 卷RT=3 h0h R20-2R2M(7)GE1014 试验钢的修正前后的真应力-真应变曲线如图 2 所示,摩擦修正后,所有曲线的流变应力均显著降低,而且随着应变量的提高,修正前后曲线的流变应力差值有增大趋势;相同应变速率下,随着变形温度的提高,修正前后应力差值越小,变形温度为 850、应变速率 为 0.01 s-1 条件下,当真应变达到最大值 0.9 时,流变应力差值达到48 MPa。这是由于变形前期,试样两端和压头之间的接触面积较小,此时的摩擦力较小,修正后的差值也较小;当应变提高后,试样横截面积的增大提高了摩擦力,使得试验钢热变形的径向流动被摩擦限制增大,修正后的差值也较大。图 2 GE1014 试验钢在不同变形条件下的真应力-真应变曲线(a)=0.01 s-1(b)=0.1 s-1(c)=1 s-1(d)=10 s-1Fig.2 True stress-true strain curves of GE1014 test steel under different deformation co