超高强度23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形行为研究

王春旭， 刘宪民， 田志凌， 王 瑞， 李建新

(1.钢铁研究总院结构材料研究所，北京 100081;2.中国钢研科技集团有限公司，北京 100081;3.抚顺特殊钢股份有限公司，辽宁抚顺 113001）

超高强度23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形行为研究

王春旭1， 刘宪民1， 田志凌2， 王 瑞3， 李建新3

(1.钢铁研究总院结构材料研究所，北京 100081;2.中国钢研科技集团有限公司，北京 100081;3.抚顺特殊钢股份有限公司，辽宁抚顺 113001）

利用Gleeble-3800热力模拟试验机，在1123～1423K温度范围，应变速率0.5～10s－1条件下，对二次硬化超高强度23Co14Ni12Cr3MoE钢进行了高温轴向压缩试验，测得了钢的高温流变曲线，并观察了变形后的显微组织。实验结果表明，该钢流变应力和峰值应变随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小;在真应变为0.8，应变速率为0.5～10s－1的条件下，随着变形速率的提高，其发生完全动态再结晶的温度也逐渐升高。当变形速率为10s－1时，其变形温度高于1373K，才会发生完全动态再结晶。23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形激活能(Q）为421.6kJ/mol。本次研究还确立了钢的热变形方程。

23Co14Ni12Cr3MoE钢;热变形;流变应力;激活能

几十年来，超高强度钢经历了低合金、中合金和高合金等几个发展阶段。而高合金系超高强度钢，尤其二次硬化型高合金超高强度钢以其极高的强度和良好的强韧性配合，以及良好的抗海水腐蚀性能和极好的焊接性能等特点在航空和航天领域得到广泛的应用，成为国内外科研工作者研究的热点［1～3］。这类超高强度钢具有高的钴、镍合金含量，其强度来自高位错密度的板条马氏体，以及在回火过程中析出的细小弥散的共格M2C碳化物及 Fe2Mo 相 沉 淀 产 生 的 二 次 硬 化［4～10］。23Co14Ni12Cr3MoE钢是目前该类钢中具有最高的强韧性配合的典型代表。

金属在热变形过程中将发生动态回复或动态再结晶，这将对材料的最终性能产生很大影响，而这些动态过程与热变形温度、变形速率等参数有关，因此确定合理的热变形工艺参数对于改善材料的组织，提高材料的性能有重大意义。热变形受热激活过程的控制，随着变形量增加，加工硬化和软化过程同时进行并决定此时材料的变形抗力。变形过程的软化决定于钢的回复和动态再结晶过程。本工作主要研究了23Co14Ni12Cr3MoE钢在不同工艺参数下的热变形行为。

收稿日期:2011-05-03;修订日期:2011-09-13作者简介:王春旭(1971—），男，博士研究生，高级工程师，主要从事超高强度钢研究，(E-mail）wcxul@163.com

1 实验材料及方法

实验用23Co14Ni12Cr3MoE钢的化学成分为(质量分数/%）:C 0.24，Cr 2.94，Ni 11.44，Mo 1.22，Co 13.61，Si 0.01，Mn 0.005，S 0.001，P 0.003，Fe余量。加工成尺寸为φ8mm×15mm的圆柱形压缩试样。在Gleeble-3800热模拟试验机上进行轴向压缩试验。试样以10℃/s的加热速率加热到1423K，保温5min，然后以10℃/s的冷却速率冷却到不同温度后进行变形。变形温度分别为:1123K，1173K，1223K，1273K，1323K，1373K，1423K，变形速率分别为 0.5s－1，1s－1，5s－1，10s－1，真应变为0.8。变形后立刻喷水淬火。用线切割把压缩后的试样沿轴线从中间剖开，磨平、抛光后，采用饱和苦味酸水溶液+十二烷基苯磺酸钠+雕牌洗洁精，60℃水浴对试样进行浸蚀来显示奥氏体晶界。用光学显微镜进行显微组织观察。

2 实验结果及分析

2.1 23Co14Ni12Cr3MoE钢真应力-真应变曲线及变形组织

23 Co14Ni12Cr3MoE钢在不同应变速率和变形温度下的真应力-真应变曲线如图1所示。从图1中可以看出，23Co14Ni12Cr3MoE钢的真应力-真应变曲线从其类型上可以分为两种:即在较低的变形温度和高的应变速率条件下，其流变曲线类型上主要以动态回复型流变曲线为主;而在高的变形温度和较低的应变速率条件下，其流变曲线表现为动态再结晶型。23Co14Ni12Cr3MoE钢的高温流变曲线主要以动态回复型为主。只有在应变速率低于1s－1，变 形 温 度 高 于 1373K 变 形 时，23Co14Ni12Cr3MoE钢的流变曲线才表现为动态再结晶型(见图1a，1b）。23Co14Ni12Cr3MoE钢的峰值应力和稳态流变应力随着变形温度的降低和应变速率的升高而提高。当应变速率相同时，变形温度升高，动态软化程度增大，动态软化速率加快，峰值应力和稳态应力逐渐降低，峰值应变也随着变形温度的升高而减小;当变形温度相同时，应变速率升高，加工硬化率增大，峰值应力和稳态应力也随之提高。

金属高温流变曲线上的变化，可以反映出材料在变形过程中的组织变化。但对于具有较高的加工硬化率的金属，在高温变形过程中，发生部分动态再结晶所产生的软化不足以抵消加工硬化，此时即使发生动态再结晶，在高温流变曲线上也不会表现出动态再结晶的明显标志——曲线上出现峰值。因此，仅从23Co14Ni12Cr3MoE钢的高温流变曲线不能完全断定其是否发生了动态再结晶，还必须配合借助相应的金相显微组织观察分析。

23 Co14Ni12Cr3MoE钢在不同应变速率、变形温度下的典型金相组织如图2所示。以0.5s－1的应变速率，变形温度1123K，发生0.8的真应变后，其组织呈现条状的变形组织(图2a），此时23Co14Ni12Cr3MoE钢在变形过程中只发生动态回复，未发生动态再结晶;当变形温度提高到1273K，变形后，其晶粒基本是等轴状的再结晶晶粒，此时钢发生了完全动态再结晶。当应变速率提高到1s－1，其发生完全动态再结晶的温度也升高到1323K，当变形温度稍低于1323K时，钢发生部分动态再结晶，其组织为条带状的变形晶粒和等轴晶粒的混合组织(图2b）。同时在相同的应变速率条件下，钢在高于完全动态再结晶温度变形后，随着变形温度的提高，完全动态再结晶晶粒尺寸也逐渐变大;而在相同的变形温度条件下，随着应变速率的增加，完全动态再结晶晶粒尺寸逐渐变小(图2c，2d）。当应变速率提高到10s－1时，发生完全动态再结晶的温度升高到1373K，比应变速率为0.5s－1变形发生完全动态再结晶的温度提高了大约100K。

图1 23Co14Ni12Cr3MoE钢在不同变形条件下的高温流变曲线Fig.1 Elevated temperature flow stress curves of 23Co14Ni12Cr3MoE steel under different deformation conditions(a）0.5s－1;(b）1s－1;(c）5s－1;(d）10s－1

2.2 23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形方程

金属材料的高温流变应力既与材料化学组成有关，又与变形温度T、应变速率˙ε以及变形量ε有关，在材料组成不变时，流变应力σ与变形条件之间具有如下的双曲正弦关系［11～13］:

这里σ可为峰值应力σp，或稳定状态流变应力σs，或相应于某指定应变量之流变应力，在本工作中σ使用峰值应力;R为气体常数;Q为控制软化过程的激活能;A，n，α为实验常数。

在低应力水平时，式(1）简化为:

在高应力水平时，式(1）简化为:

其中，常数α，β及n之间满足α=β/n'。对式(2）和式(3）两边分别取对数并求偏导，可得:

将图1的真应力-应变曲线数据按式(4）和式(5）处理得到图3。从图3中可以看出，σp－ln˙ε和lnσp－ln˙ε都近似呈线性关系，通过线性回归分析可得，β =0.05745MPa－1和 n=10.0553，进而计算得α = β/n≈0.006MPa－1。

图2 23Co14Ni12Cr3MoE钢不同变形条件下的金相组织Fig.2 Metallography of 23Co14Ni12Cr3MoE steel under different deformation conditions(a）0.5s－1，1123K;(b）1s－1，1273K;(c）1s－1，1323K;(d）5s－1，1323K

对式(1）两边取自然对数得:

当变形温度恒定时，式(6）两边对应变速率求偏导，得:

当变形速率恒定时，式(2）两边对1/T求偏导，得:

根据图1中的高温流变曲线数据，得到峰值应力与应变速率和温度之间的关系曲线如图4所示。

对图4进行线性回归，得出:A=7.7292×1016;n=7.3541;Q=421.6kJ/mol。将上述结果代入式(1）中，可以确立23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形方程为:

3 结论

(1）二次硬化超高强度23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形激活能Q值为421.6kJ/mol，其热变形方程为=7.7292×1016［sinh(0.006σ）］7.3541exp(－

(2）在真应变为 0.8，温度为 1123～1423K，应变速率为 0.5～10s－1的条件下，23Co14Ni12Cr3MoE钢的高温流变应力随变形温度的降低和应变速率的提高而增大;同时随着变形速率的提高，其发生完全动态再结晶的温度也逐渐升高，当变形速率为10s－1时，其变形温度高于1373K，才会发生完全动态再结晶。

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Hot Deformation Behavior of 23Co14Ni12Cr3MoE Ultra-High Strength Steel

WANG Chun-xu1， LIU Xian-min1， TIAN Zhi-ling2， WANG Rui3， LI Jian-xin3
(1.Institute for Structural Materials，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China;2.China Iron ＆ Steel Research Institute Group，Beijing 100081，China;3.FuShun Special Steel Co.，Ltd，Fushun 113001，Liaoning China）

The hot compression deformation behaviors of secondary hardening ultra-high strength 23Co14Ni12Cr3MoE steel with high strength and toughness were investigated by use of Gleeble-3800 simulator at the temperature range of 1123K to 1423K and at the strain rate of 0.5～10s－1.The corresponding flow curves were determined and hot deformed microstructures were observed.The results show that the flow stress and peak strain increase with increasing strain rate or decreasing deformation temperature.At true strain 0.8 and the strain rate of 0.5～10s－1，the temperature of full dynamic recrystallization increase with the strain rate rising.When the strain rate is 10s－1，the deformation temperature is beyond 1373K，the full dynamic recrystallization is occurred.The hot deformation activation energy Q of steel is 421.6kJ/mol，and the hot deformation equation is derived based on the experiments.

23Co14Ni12Cr3MoE steel;hot deformation;flow stress;activation energy

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.6.004

TG142.1

A

1005-5053(2011）06-0019-05