基于平面应变热模拟的3Cr2Mo钢板材动态再结晶动力学分析

2019-07-11

安徽工业大学学报（自然科学版） 2019年1期

(安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243032)

随着生产设备和生产工艺的发展，普遍采用连续热加工技术生产现代钢铁材料。无论是在线生产控制还是离线控制，热加工产品最终性能的控制至关重要。钢铁材料在热加工过程中会发生动态回复和动态再结晶，影响组织进化过程的是钢铁材料内部的动态再结晶过程，而动态再结晶需在某些特定温度、应变量及应变速率条件下才会发生。因此，需考虑热加工过程中的温度、应变等热加工参数，建立相应的动态回复再结晶模型研究钢铁材料的热加工过程。已有一些学者利用流变应力曲线建立相应对象的动态再结晶模型，研究热加工过程中的软化现象。例如：McQueen等[1]通过研究不同钢热轧板以及不锈钢热机过程，确定金属材料热加工过程中临界应变模型以及动态再结晶的发生条件；Jonas等[2]、Orsetti等[3]以及Khoddam等[4]分别根据不同对象，建立和发展了热加工过程中钢铁材料的动态再结晶动力学模型及微观组织演化机制。目前，大部分动态再结晶动力学模型研究是通过棒状试样扭转实验或圆柱形试样压缩实验来实现的[5-7]。相比于圆柱压缩实验，平面应变实验在压缩过程中没有鼓胀现象，且平面应变压缩接触面的摩擦力更小；对于板材热轧过程，平面应变实验更接近于板材热轧过程中的受力状态。因此，平面应变实验更适合于板材热加工过程的研究。鉴于此，笔者通过3Cr2Mo钢板材的平面应变热模拟实验，研究3Cr2Mo钢板材在不同应变速率和温度条件下的流变应力曲线，分析热加工参数对其临界应变的影响，建立3Cr2Mo钢板材热加工过程的动态再结晶动力学模型。

1 实验材料及实验方法

实验材料为3Cr2Mo钢板材，其主要化学成分为(w/%)：C 0.35，Si 0.38，Mn 1.12，Cr 1.70，Mo 0.4，Fe(余)。

热模拟实验在Gleeble-3500热模拟实验机上进行。于3Cr2Mo钢热轧板中切割加工试样，试样尺寸为20 mm×15 mm×10 mm，如图1，其中10 mm方向为热模拟变形方向。从图1可看出，平面应变热变形过程的受力方式和热轧板的变形过程相似。因此相对于圆柱形压缩试验，平面应变实验更适合模拟板带热变形过程的动态再结晶过程。由于试样表面的摩擦力及其平行度会对实验流变应力曲线精度产生影响，故对热模拟试样的热变形表面进行抛光处理。平面应变热模拟实验工艺如图2。试样以5℃/s的速度加热至1 200℃，保温5 min，使试样组织奥氏体均匀化。然后以5℃/s速度降至变形温度，保温30 s使试样整体温度在热变形之前趋于均匀。热变形试样的压缩量为热变形方向试样高度的60%，热变形温度为950，1 000，1 050，1 100 ℃；应变速率ε˙为0.1，1，10，50 s-1。试样在变形结束后淬火冷却。

图1 平面应变模拟挤压示意图Fig.1 Schematic diagram of plane strain simulation

图2 平面应变模拟实验工艺Fig.2 Experimental process of plane strain simulation

2 实验结果及分析

2.1 流变应力曲线

采用平面应变法对3Cr2Mo钢试样进行热压缩，得到的流变应力曲线如图3。对于流变应力曲线，首先要区分热变形过程中的动态回复和动态再结晶过程。在应变速率不变的情况下，随着变形温度的降低，热变形过程中的流变应力会迅速增加。动态回复过程中，应力随着应变的增加而增大。然而，试样在热变形过程中一旦发生动态再结晶，当应变超过临界应变，流变应力就会有减小的趋势[8-10]。从图3可看出：流变应力变化可分为三个阶段：第一阶段，临界应变前，不发生动态再结晶，加工硬化对流变应力的影响起主导作用，试样在热变形过程中由于位错增值流变应力而迅速上升；在第二阶段，试样的应变超过临界应变时，动态再结晶开始启动，此时试样内部的动态再结晶软化过程开始与加工硬化过程抵消，应力上升趋势开始减缓，在流变应力曲线中出现应力最大值；在第三阶段，动态再结晶过程连续发生时，出现软化和硬化过程的平衡状态。

图3 平面应变实验的流变应力曲线Fig.3 Flow stress curves of plane strain experiment

对于动态再结晶软化过程，其主要影响因素是热变形过程中的温度及应变速率。当应变速率不变时，随着热变形温度的升高，动态再结晶越快。因此，热变形过程中，试样动态再结晶的流变应力曲线必有峰值应力及应力趋向稳定的过程。这种动态再结晶的启动，通常是在原始变形晶粒的边界发生，且低的应变速率和高的变形温度均有利于热变形试样中动态再结晶的启动。

2.2 临界应力

动态再结晶过程中，临界应变对应的应力即是临界应力。对于实验得到的流变应力曲线，先对实际曲线进行平滑处理，然后用平滑后的曲线计算固定应变速率和变形温度条件下的硬化速率θ=dσ/dε。图4为采用热变形温度1 000℃、应变速率1 s-1条件下流变应力数据计算得到的硬化速率θ与应力σ之间的关系。在硬化曲线直线段，当∂2θ/∂σ2=0时，可在θ=0的条件下找到对应的临界应力σc。通过这种方法，对16组流变应力曲线进行分析，确定各参数条件下的临界应力σc。临界分析计算得到的临界应力σc与峰值应力σp如图5。由图5可看出，σc与σp的对应关系是线性的，其影响因素为温度和应变速率，由此得到关系式σc=0.94σp。

图4 硬化指数θ与应力的曲线Fig.4 Hardening exponentθversus flow stress

图5 临界应力σc与峰值应力σp对应关系Fig.5 Critical stressσcversus the peak stressσp

2.3 基于Arrhenius方程的动态再结晶过程

热轧板金属材料在热加工过程中，动态再结晶是由于热变形加工硬化导致金属内部畸变能的累计。当累计能量超过动态再结晶需要的临界值时，就发生动态再结晶。动态再结晶激活能参数是动态再结晶启动的重要依据，学者们常利用Arrhenius方程计算热模拟过程中热变形行为及变形激活能[11-12]。故文中采用此方程研究3Cr2Mo钢在平面应变热压缩过程中的动态再结晶软化行为，建立3Cr2Mo钢热变形过程中的动态再结晶本构方程。引入Zener-Hollomon参数(Z参数)，Z参数表征热变形过程中温度及应变速率对热变形行为的影响[13]，可用式(1)表示。

采用Arrhenius模型求解动态再结晶激活能，如式(2)

式中：Q为动态再结晶激活能；n为应力指数；R为气体常数，取8.31 J/mol；应力因子α取0.012 MPa-1[2]；A1为常数。

式(2)中应变速率不变时，对温度的倒数1/T求导，得到动态再结晶激活能为：。式(2)中温度不变时，对lnsinh(ασp)求导，得到。激活能Q和应力指数n都是常数，所以用lnsinh(ασp)分别与lnε˙及1/T作图，结果分别如图6，7。得到n=1.86,G=19 995，动态再结晶的激活能Q=309.05 kJ/mol。

结合式(1)，(2)对Z参数和{sinh(ασp)}n参数作图，如图8。根据图8求解出常数A1=1.023 8×1011。

图6 lnsinh(ασp)与 lnε˙曲线Fig.6 Relationship betweenlnsinh(ασp)andlnε˙

图7 lnsinh(ασp)与1/T曲线Fig.7 Relationship betweenlnsinh(ασp)and1/T

上述分析表明，基本于热机参数Z，综合考虑平面应变热模拟过程中的应力、应变速率、热变形温度及动态再结晶状态，在应变速率和温度固定时，就可在不同应变条件下判断在热变形过程中3Cr2Mo钢动态再结晶的发生状态。

2.4 动态再结晶动力学模型的建立

应变速率不变时，动态再结晶转变体积分数XD随时间的变化可以用Avrami方程构建，如式(3)

其中m为Avrami指数。峰值应力主要和应变速率及温度有关[14]，所以可用Z参数来构建相应的关系方程。即εp=a(Z/A1)b，用 lnεp对 ln(Z/A1)作图9，得b=0.106，a=0.197。则εp=0.197(Z/A1)0.106，对于临界应变取εc=0.6εp。

图8 Z参数和{sinh(ασp)}n曲线Fig.8 Relationship between Zparameter and{sinh(ασp)}n

当热变形过程发生动态再结晶，实际发生的动态再结晶体积分数和流变应力之间的关系可表达为[15]

其中：σdx为瞬时应力；而为稳态应力，即加工硬化和动态再结晶软化达到动态平衡时的应力。基于实验数据利用参数与参数作图，如图10。根据图10得斜率平均值m=2.57。

图9 lnεp与ln(Z/A1)曲线Fig.9 Relationship betweenlnεpandln(Z/A1)

图10 曲线Fig.10 Relationship between

将m值代入式(3)，得到动态再结晶动力学模型，如式(5)

为验证模型的准确性，用应变速率1 s-1条件下的动态再结晶转变数据与模拟值进行对比，结果如图11。在动态再结晶转变初始阶段，由于试样内部畸变能分布不均，导致动态再结晶启动不一致。所以在起始阶段，动态再结晶转变量的模拟值高于实际值。当动态再结晶在试样内部完全启动后，模拟值和实际值趋于一致。由图11可看出，当动态再结晶完全启动后模拟值较好地吻合实际值，说明本文构建的动态再结晶模型可有效预测3Cr2Mo钢平面应变过程中的动态再结晶演化过程。

相对于圆柱试样热压缩过程，平面应变的形变过程更接近于板材热轧变形过程。因此，本文构建的动力学模型更适合于板材热变形过程中动态再结晶过程的预测。