王程明,杨 浩

(河钢材料技术研究院,石家庄 050000)

摘 要:为研究工程机械用 Q690钢的高温热变形行为,采用 Gleeble3800型热模拟试验机,对 工程机械用 Q690钢进行高温压缩试验。分析了 Q690钢的真应力-真应变曲线;建立了 Q690钢的 热变形方程和热加工图。结果表明:随着变形温度的升高和变形速率的减小,Q690钢的流变应力 减小;Q690钢的热变形激活能为432.3545kJ/mol;热加工图表明 Q690钢在整个温度范围内均存 在失稳区,实际生产过程中应尽量避免失稳区;在温度为 1080~1150 ℃,应变速率为 0.01~ 0.3s -1 时,Q690钢的功率耗散因子高于0.3,该参数为 Q690钢最佳的热加工区域。

关键词:工程机械用 Q690钢;高温压缩;热变形方程;热加工图 中图分类号:TB31;TG161 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)12-0022-05

工程机械用钢广泛应用于汽车、航空、机械、海 洋等领域,由于工作环境恶劣,且近年来随着各领域 对工程机械用钢的需求量大幅增加,工程机械用钢 不断向综合性能更好的方向发展,尤其要具备优良 的热 加 工 性 能。 不 少 学 者 对 工 程 机 械 用 Q690 钢[1-2]的耐磨损性能、焊接性能、塑性、韧性以及新品 种研发等方面进行了大量研究,但对该材料高温热 变形方面的研究相对较少。 笔者采用 Gleeble3800型热模拟试验机对工程 机械用 Q690钢进行高温压缩试验,建立了材料的 真应力-真应变曲线,分析了变形温度和应变速率对 Q690钢热变形行为的影响,构建了材料的热变形方 程和热加工图,并观察了不同热变形条件下材料的 显微组织,结 果 可 为 确 定 合 适 的 热 加 工 参 数 提 供 参考。

1 试验材料及方法

试验 材 料 为 某 厂 真 空 炉 冶 炼 的 工 程 机 械 用 Q690钢,该钢的化学成分如表1所示。 将材料线切割加工成尺寸为10 mm×15mm (直径 × 高度)的标准圆柱试样,利用 Gleeble3800 型热模拟试验机对试样进行高温压缩试验,试验过 程中,为避免试样发生氧化,将试验腔抽真空结束后 充入氩气,使整个试验均在保护气氛中。 具体试验工艺为:将试样以10 ℃/s的速率升 温至1200℃,保温3min后,以5℃/s的速率降温 至变形温度,即1150,1100,1050,1000,950,900, 850℃,保温30s,分别以0.01,0.1,1,10s -1 的应变 速率进行50%的压缩变形。变形结束后,为保留原 组织,对试样进行快速水冷;将变形后的试样沿轴向 切割,制成金相试样,经研磨、抛光后,用过饱和三硝 基苯酚和适量洗发水进行腐蚀,为避免过度腐蚀,要 不时地将试样从溶液中拿出,并用脱脂棉擦拭可能 存在的残留剂,最后采用光学显微镜观察试样的显 微组织。

2 试验结果与分析

2.1 Q690钢的真应力-真应变曲线

Q690钢在不同变形温度和应变速率下的真应 力-真应变曲线如图1所示,由图1可以看出:在不 同变形条件下,Q690钢的流变应力均随温度的降低 和应变速率的升高而增加。在温度为1150 ℃,应 变速率为0.01s -1 的高变形温度、低应变速率条件 下,Q690钢呈现出明显的动态再结晶现象,在流变 应力曲线上表现为流变应力先增加后降低,最后趋 于平稳,有明显的峰值应力;而在高应变速率、低变 形温度下,Q690钢呈现出明显的动态回复现象,流 变应力曲线并没有明显的峰值应力,该条件下 Q690 钢不易发生动态再结晶,如温度为850℃,应变速率 为10s -1 的热变形条件。 在同一应变速率下,Q690钢流变应力随变形温 度的升高而降低,这是因为温度越高,材料的热激活 能就越强,原子有了足够的活动能,晶界阻力降低, 导致流变应力减小。 在同一变形温度下,Q690钢流变应力随应变速 率的升高而增加,这一现象是由位错密度增加导致 的。应变速率增大不仅使得位错密度增加,变形受 到阻碍,而且会缩短动态再结晶时间,阻碍再结晶发 生,导致流变应力增加。

2.2 Q690钢的热变形本构方程

热变形本构方程是描述材料变形行为的重要数 学模型,阐述了应力应变、应变速率以及温度之间的 关系,本构方程的建立对建立数值模拟模型具有重 要意义。 为建立Q690钢的热变形本构方程,采用SELLARS 提出的双曲正弦模型[3-6]来表达,如式(1)所示。 ε=A sinh ασp nexp - Qd RT (1) 式中:?ε为应变速率;σp 为峰值应力;T 为热力学温 度;R 为摩尔气体常数;Qd 为形变激活能;A,n,α均 为常数,α 取0.012。 将式(1)两边取对数,得到 ln?ε=lnA +nln sinh ασp - Qd RT (2) 当变形温度和应变速率一定时,将式(2)两边分 别求导,即可做出lnsinh(ασp)与ln?ε及 T 1 的关系曲 线(见图2)。 通 过 线 性 拟 合,前 者 可 得 出 n 为 6.3963,b为8.1302,进而得到 Q690钢的激活能为 432.3545kJ/mol。 对式(1)进行变换,即可得到 Zener-Hollomon (Z)参数的表达式,可用来描述变形温度与应变速 率之间的关系,如式(3)所示。 Z =A sinhασp n (3) 对式(3)两边求导,可得到lnZ 与lnsinh(ασp) 的关系曲线(见图3),对式(3)进行线性拟合,可得 到A=5.8214×10 15。 图3 lnZ 与lnsinh(ασp)的关系曲线 综上可得出 Q690钢的热变形本构方程为 ?ε=5.8214×10 15 sinh0.012σp 6.3963 exp - 432.3545 RT (4) 2.3 热加工图的建立 热加工图是评定材料可加工性能的重要依据, 可用来选择变形工艺参数和改善材料的加工性能。 研究 人 员 建 立 了 基 于 动 态 材 料 模 型 的 热 加 工 图[7-15],认为材料变形所消耗的总功率 P 由塑性变 形产生的耗散量G 以及变形过程中组织演变产生 的耗散协量J 组成,P 的表达式如式(5)所示。 P =G +J=∫ ?ε 0 σd?ε+∫ σ 0 ?εdσ (5) G 和J 的比值为应变速率敏感因子m,可由式 (6)表示。 m = dJ dG = ∂lnσ ∂ln?ε ε,T (6) 功率耗散因子η表示变形过程中显微组织变化 耗散量占总耗散量的比值,一般η越大,表明此区域 越稳定,材料可加工性越好,η可由式(7)表示。 η=m 2m +1 (7) 利用 Origin软件,采用最小二乘法和三次样条 函数,拟合出lnσ与ln?ε之间的函数关系,计算得到 m,再通过式(7)得到η。 一般采用ξ(?ε)作为材料的失稳判据,可由式 (8)表示。ξ(?ε)<0时,表示材料处于失稳状态,此 时材料的加工性能较差,易出现开裂、偏析等缺陷, 不适合材料的加工;ξ(?ε)>0时,表示材料处于安 全加工区域,此时材料的加工性能较好。 ξ? ε = ∂ln m m +1 ∂ln?ε +m <0 (8) 最后,根据计算得出的结果,将η 绘制在 T-ln?ε 图中,得到 Q690钢的功率耗散图,将ξ(?ε)<0的区域 绘制在图中,得到 Q690钢的失稳图,功率耗散图与 塑性失稳图叠加在一起形成 Q690钢的热加工图。 图4为 Q690钢在真应变为0.5时得到的热加 工图,图中等高线上的数值就是不同热变形条件下 的η,阴影部分表示 Q690钢的失稳区域,白色部分 表示 Q690钢的安全区域。从图4可以看出:试验 得到的0.5真应变下的热加工图在整个温度范围内 均存在失稳区,尤其是应变速率为1s -1 时,各个温 度区域均失稳,且η 随变形温度和应变速率的变化 而变化;当变形温度升高或应变速率降低时,Q690 钢的η会随之增大,反之则减小;当 Q690钢在温度 为850~930 ℃,应变速率为1 ~ 10s -1 时,该区域 的η较小,最大为0.11,说明不适合在该区域内进行 加工;当 Q690钢在温度为1000 ~ 1150 ℃,应变 速率为0.06 ~ 0.12s -1 时,η虽然由0.11增加到 0.27,但其处于失稳区域,在此区域的加工性能依然 较差;当 Q690钢处于1080~1150 ℃,应变速率为 0.01~0.3s -1 时,Q690钢的η 较高,最小为0.3,最 大为0.39,此区域为 Q690钢的安全区域,材料性能 稳定,可加工性能较好。在实际热加工过程中,应尽 量避免失稳区域,要选择相对安全的加工区域对材 料进行加工。 图5为不同热变形条件下 Q690钢的显微组织 形貌。从图5a)可知,在温度为850 ℃,应变速率为 10s -1 的变形条件下,Q690钢的显微组织为粗大的 图4 Q690钢在真应变为0.5时的热加工图 奥氏体晶粒,且晶粒被明显拉长,没有发生动态再结 晶,对应图4可看出,此时材料处于失稳区,功率耗 散值较低。从图5b)可知,在温度为950 ℃,应变速 率为1s -1 的变形条件下,随温度的升高,应变速率 降低,被拉长的晶粒得到缓解,并开始向动态再结晶 的趋势发展,但仍以动态回复为主,此状态的η只有 0.15,组织还是失稳状态。从图5c)可知,若进一步 提高变形温度至1050℃,降低应变速率至0.1s -1, 此时组织为等轴状的再结晶晶粒,说明已发生明显 的动态再结晶现象,材料处于稳定区,功率耗散值η 也增大至0.35。从图5d)可知,当温度继续升高至 1150 ℃,应变速率降至0.01s -1 时,组织仍为均匀 的等轴状再结晶晶粒,只是晶粒开始变大,结合图4 可以看出,此时材料的η 达到峰值0.39,再次说明 该区域适合材料的加工成型。

3 结论

(1)变形温度和应变速率对 Q690钢的热变形 行为有重要影响,随着变形温度的降低或应变速率 的增加,Q690钢的峰值应力和峰值应变会增大。 (2)Q690钢的热变形激活能为432.3545kJ/mol。 (3)Q690 钢 最 优 的 热 加 工 条 件 是 温 度 为 1080~1150 ℃,应变速率为0.01~0.3s -1。

来源：材料与测试网