Aermet100钢热变形行为研究

2019-09-12白克非

中国金属通报 2019年8期

白克非

（中国航空发动机集团有限公司，北京 100097）

随着国先进航空、航天领域发展，AerMet100钢就是在这种对航空、航天材料的超高强度性提出更高的要求的情况下研发的，它的发现是对史上材料的一个突破。我国飞机的起落架主要是由低合金超高强度钢制造而成的，国内的Aermet100钢主要是参照美国Aermet100钢的化学成分、冶炼工艺及热处理制度标准而仿制成功的一类二次硬化型超高强度钢。该钢含有较高的Co、Ni合金元素，名义成分为23Co14Ni12Cr3Mo，具有较好的综合力学性能，拉伸强度达到1931～2069 MPa，断裂韧性达到KIC≥120 MPa m1/2。是我国第四代先进战机起落架和国防尖端武器装备的首选材料[1～3]。

1 实验材料与方法

1.1 试验材料

本实验材料为AerMet100钢铸锭，使用热模机对AerMet100钢试样进行热压缩实验。试样为直径8 mm×高度12 mm的圆柱棒。实验时对试样端面进行石墨片润滑其目的是可以有效的减小试样端面与机器造成的摩擦，从而达到减少试样变形时的不均匀性，避免造成过大的凸肚现象。Aemet100钢典型化学成分如表1所示。

表1 Aemet100钢典型化学元素含量

1.2 实验方法

实验方法是分析AerMet100钢热变形过程，获得应力-应变曲线及原始数据，根据AerMet100超高强度钢分析真应力-应变曲线，分析该钢在高温下的流变应力特性。

1.2.1 热压缩试验

本实验采用是Gleeble-3500动态热模拟实验机。此设备可以热压缩过程中同时同步记录应力、应变、温度等参数变化的曲线功能。

实验时将Φ8mm×12mm圆柱形Aemet100钢试样进行热压缩实验，试样加热速度为10℃/s。保温时间为5 min。试样热压缩变形后用迅速水冷却以保持高温奥氏体组织。

整个热压缩实验过程中包括，加热、保温、压缩、冷却四个阶段，全部的的温度控制路线图，如下图1所示。

图1 压缩过程中温度控制示意图

1.2.2 实验参数

实验数据具体如下表2、表3、表4所示。

表2 第一组试样编号及变形条件

表3 第二组试样编号及变形条件

表4 第三组试样编号及变形条件

2 AerMet100钢热变形行为

2.1 AerMet100钢的应力-应变曲线

对采集完成的数据进行绘制得到的各组真应力-真应变曲线如图2、图3、图4所示[4]。

图2 第一组真应力-真应变曲线（）

图3 第二组真应力-真应变曲线（）

（a）930℃ （b）960℃

图4 第三组真应力-真应变曲线（））

从整体上看Aemet100钢的应力-应变曲线在所有热变形条件下都是，真应力在变形初始阶段随真应变的增加而以一种极快的速度上升，达到拐点后却出现了三种完全不同的反应[5]。第一组的在热变形温度为800、830℃下和温度为860、890、920℃应变速率为0.1、1、10 s-1等高应变速率条件下，随真应变的增加真应力呈现出缓慢的上升直至变形结束的情况，这表明此时Aemet100钢明显受到加工硬化作用的影响。

第二种像第一组的在热变形温度为在变形温度为890、920℃应变速率为0.01、0.05、0.1 s-1等低应变速率和第二组的在热变形温度为990、1020、1050℃的0.01、0.05 s-1等低应变速率下，随真应变的增加真应力呈现出缓慢的上升达到峰值后开始趋于平缓直至结束，这种情况的平稳态流变应力与峰值应力是相等的，它说明此时试样内部的动态软化作用接近加工硬化作用使得真应变保持平衡。其真应力-真应变曲线表现出动态回复特征。高应变速率情况下，随真应变的增加真应力呈现出缓慢的上升达到峰值后开始逐渐缓慢的下降直至变形结束，说明曲线明显受到动态再结晶作用的影响。不同组不同温度对峰值应力的影响如图5所示。

图5 温度-峰值应力

在应变速率和变形量相同时，当变形温度的降低，流变应力相应增大，并且在相同温度间隔区间，低温段的峰值应力差值要大于高温段峰值应力差值。并且当应变速率保持恒定时，温度对合金真应力-真应变曲线的影响要比应变速率较大，在高温下，Aemet100钢的峰值应力与稳态应力基本相等，差值很小。表现出真应力-真应变曲线相对平稳。

从图中可以看出在，更高应变速率下随着变形温度的增加峰值应力的降低更快。并且不同应变速率情况下的峰值应力降低程度也随这温度的升高而减小。在这种温度不变的情况下，峰值应力随应变速率的减小而下降的情况说明了Aemet100钢属于正应变速率敏感型材料。

对于第一组：800℃时不同应变速率条件下应力峰值如下表5。第一组所有温度时不同应变速率条件下应力峰值如下图6。从表中可以看出，在800℃条件下，Aemet100钢随着应变速率的增大峰值应力同样增大。从图中可以看出，在800、830、860、890、920℃下峰值应力随应变速率变化的趋势与800℃条件下的变化趋势相同。

表5 800℃时不同应变速率下的峰值应力

图6 第一组不同应变速率与峰值应力的关系

对于第二组：930℃时不同应变速率条件下应力峰值如下表6。第二组所有温度时不同应变速率条件下应力峰值如下图7。从表中可以看出，在930℃条件下，Aemet100钢随着应变速率的增大峰值应力同样增大。从图中可以看出，在930、960、990、1020、1050℃下峰值应力随应变速率变化的趋势与930℃条件下的变化趋势相同。

表6 30℃时不同应变速率下的峰值应力

图7 第二组不同应变速率与峰值应力的关系

对于第三组：1080℃时不同应变速率条件下应力峰值如下表7。第三组所有温度时不同应变速率条件下应力峰值如下图8。从表中可以看出，在1080℃条件下，Aemet100钢随着应变速率的增大峰值应力同样增大。从图中可以看出，在1080、1100、1130、1160、1200℃下峰值应力随应变速率变化的趋势与1080℃条件下的变化趋势相同。

表7 1080℃时不同应变速率下的峰值应力

图8 第三组不同应变速率与峰值应力的关系

从整体上可以得出Aemet100钢热变形是温度一定条件下，峰值应力随应变速率增加而升高。

2.2 Aemet100钢应变速率敏感性指数m值的计算

位错运动直接影响实际金属的屈服强度。而金属所受阻力、化学成分、组织结构等等又直接影响到位错运动的进行。m为金属塑性变形时金属的流变应力对应变速率的敏感性参数，即当应变速率增大时金属向强化倾向行动的参数，称为其应变速率敏感性指数。m是金属的重要动力学参数之一，所以研究m参数对该钢热变形影响而描述金属材料的变形行为，可以为设计工艺时参数的选定提供重要的参考。