A100超高强度钢的等温压缩行为及工艺参数优化

发布时间：2020-11-20 07:55

　　 A100超高强度钢因其具有高的抗拉强度、硬度和抗疲劳性能并兼有高的断裂韧性和延展性,被广泛用于先进战机起落架和各种重要承力构件及防护件。本文主要借助Gleeble-3500型热模拟机和LEICA金相显微镜对A100超高强度钢进行热压缩实验和金相实验。通过摩擦和温升效应对流变应力的影响、流变应力曲线、动态再结晶行为、组织演变规律、本构模型以及加工图的深入研究,可为该钢的热加工可行域优化和组织性能控制提供理论依据。主要研究成果如下:A100超高强度钢在热压缩过程中摩擦和温升效应对流变应力的影响较为显著,采取的修正方法能有效降低这些因素引起的流变应力误差。该钢的流变应力对变形温度和应变速率较为敏感,会随着变形温度的升高或应变速率的降低而下降。基于Cingara-McQueen方程的推导,确定了其动态再结晶临界应变与峰值应变的比值约为0.459,并通过Zener-Hollomon因子建立了动态再结晶的临界应变/应力、峰值应变/应力和稳态应变/应力模型,绘制了动态再结晶状态图,准确描述了动态再结晶发生的参数区间。根据该钢热变形后组织演变规律的分析,表明变形温度的升高或应变速率的降低均有利于动态再结晶的发生;在同一变形条件下,压缩试样中的不同压缩区域中组织发生动态再结晶的程度为大变形区小变形区难变形区;低温、高应变速率和高温、低应变速率下的组织均匀性较差,不宜进行热加工。函数d_(rex)(28)80883.16?(5)~(-0.208)exp(95410.22/RT)(10)0.198为该钢的动态再结晶平均晶粒尺寸预测模型,其预测值与实验值具有良好一致性,平均相对误差为8.56%。通过Arrhenius型唯象本构模型和具有物理基础的本构模型分别表征了A100超高强度钢的流变应力行为。两种本构模型均考虑了应变的影响,其中所建立的物理本构模型还考虑了温度对材料自扩散系数和杨氏模量的影响,构建方法较为简便。结果表明:唯象和物理本构模型的平均相对误差分别为4.99%和4.89%,均具有较好的预测效果,其中具有物理基础的本构模型的预测效果更优。根据能量耗散系数和失稳参数构建了A100超高强度钢在不同应变下的加工图,并结合微观组织验证,结果表明:该钢的流变失稳区范围大致为850~890℃、0.01~10 s~(-1),890~1100℃、0.4~10 s~(-1)和1100~1200℃、1.2~10 s~(-1),失稳组织特征表现为机械失稳和局部塑形流动;该钢在900~1050℃、0.01~0.1 s~(-1)和1050~1100℃、0.1~1 s~(-1)的条件下具有较高的能量耗散值,是形成较为细小、均匀的动态再结晶组织的区域,可作为其最佳的热加工工艺参数范围。
【学位单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.1
【部分图文】：

和 A100 钢热处理工艺的研究结果也得出了相似的结论，进一步表明 A100 钢经885 ℃淬火后，在 472~492 ℃范围内回火得到高位错密度的板条马氏体和少量逆转变奥氏体，且逆转奥氏体含量增加有助于提高韧性，但强度会有所下降。李杰[27]对 A100 钢力学性能的回火敏感性进行了研究，认为其在 482 ℃附近回火时，其抗拉强度和断裂韧性具有较佳的配合，但回火温度的进一步升高会破坏这种强韧性能，主要原因在于 A100 钢的基体与 M2C 中的 Cr/Mo 比值过高，从而加速了过时效进程，使析出强化相迅速长大。钟平等人[15]研究了回火温度对 A100 超高强度钢的组织和性能影响，其回火温度与力学性能的关系如图 1-1 所示。根据图中力学性能的变化结果表明该钢在200~300 ℃回火，塑性和韧性较高，但强度水平低；在 420~470 ℃回火，强度很高，但韧性较低；当回火温度达到 482 ℃时，该钢表现出最佳的强韧性配合。这是由于回火组织中存在高位错密度的马氏体和细小弥散分布的共格碳化物，进而得到较高的强度；而韧性高是由于片状渗碳体的减少和板条边界出现的薄膜状逆转奥氏体引起的，如图 1-2 所示[28]；但温度超过最佳时效温度（482 ℃）时，细小碳化物 M2C 开始粗化并逐渐失去与基体的共格关系，进而导致强度和硬度的持续下降。

和 A100 钢热处理工艺的研究结果也得出了相似的结论，进一步表明 A100 钢经885 ℃淬火后，在 472~492 ℃范围内回火得到高位错密度的板条马氏体和少量逆转变奥氏体，且逆转奥氏体含量增加有助于提高韧性，但强度会有所下降。李杰[27]对 A100 钢力学性能的回火敏感性进行了研究，认为其在 482 ℃附近回火时，其抗拉强度和断裂韧性具有较佳的配合，但回火温度的进一步升高会破坏这种强韧性能，主要原因在于 A100 钢的基体与 M2C 中的 Cr/Mo 比值过高，从而加速了过时效进程，使析出强化相迅速长大。钟平等人[15]研究了回火温度对 A100 超高强度钢的组织和性能影响，其回火温度与力学性能的关系如图 1-1 所示。根据图中力学性能的变化结果表明该钢在200~300 ℃回火，塑性和韧性较高，但强度水平低；在 420~470 ℃回火，强度很高，但韧性较低；当回火温度达到 482 ℃时，该钢表现出最佳的强韧性配合。这是由于回火组织中存在高位错密度的马氏体和细小弥散分布的共格碳化物，进而得到较高的强度；而韧性高是由于片状渗碳体的减少和板条边界出现的薄膜状逆转奥氏体引起的，如图 1-2 所示[28]；但温度超过最佳时效温度（482 ℃）时，细小碳化物 M2C 开始粗化并逐渐失去与基体的共格关系，进而导致强度和硬度的持续下降。

（Atomic Model，AM）的加工图，如 Raj 加工图；第二类是基于动态材料模型（Dynamic Material Model，DMM）的加工图，如 Prasad 和 Murty 加工图；第三类是基于极性交互模型（Polar Reciprocity Model，PRM）的加工图，如 PRM 加工图。第一类加工图（AM）最早由 Frost 等[49]利用 Ashby 图来表征材料在低应变速率下的蠕变机制，如图 1-3 所示。图中坐标均采用归一化的应力值和同系温度表示，并将各种蠕变机制标注在某个温度-应力区间内。由于材料热加工所采用的应变速率要比蠕变机制对应的应变速率下高几个数量级，因此 Ashby 变形机制图的应用范围受限。Raj 等[50]扩展了 Ashby 图的概念，利用原子理论与基本参数相结合的方式建立了纯金属和简单合金的 Raj 加工图，如图 1-4 所示。图中显示了低温、高应变速率下软基体组织上的硬相粒子处产生的空洞、高温、低应变速率下组织的三角晶界处产生的楔形裂纹以及极高应变速率下出现的绝热温升（易发生绝热剪切带）三种有害的损伤变形机制；此外，Raj 加工图中还标出了一处“加工安全区”，该区域会发生动态再结晶这种有益的变形机制。目前，建立 Raj 加工图还具有一定的局限性：局限一、难以准确获取材料大量的基本参数难以准确获取；局限二、针对复杂的合金，其对工艺参数的响应无法用简单的原子模型进行描述。
【参考文献】

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本文编号：2891180