铸态高速钢热压缩变形的数值模拟

铸态高速钢热压缩变形的数值模拟

由于高速钢具有良好的红色强度和抗疲劳动性，因此被广泛应用为工具、模具和辊压材料。粗大枝晶和网状莱氏体组织是铸造高速钢组织的典型特征,因其严重割裂基体,恶化力学性能,从而限制了高速钢的应用。通过对铸造高速钢进行锻压、轧制等热加工,既可以使连续的网状莱氏体断开,也可以使莱氏体中的共晶碳化物逐渐破碎并沿压延方向成条带状或变形网状分布,最终使共晶碳化物分布的均匀性得到改善,从而提高材料的致密度和力学性能。关于AISIM2高速钢的流变行为、形变再结晶及热塑性方面的一些研究结果表明,变形条件及碳化物强烈影响高速钢的流变行为,而且动态再结晶是热变形过程中高速钢的主要软化机制。Imbert等发现在900~1150℃及0.1~5s-1条件下变形时,M2高速钢的热变形激活能受碳化物影响很大,并按温度区间进行了分段表征。然而,这些研究所用的试验材料都是锻态或轧制态,其碳化物组织形态与铸态的差异很大。尽管张彩东等报道了双辊薄带连铸亚快速凝固工艺和热处理对M2高速钢铸带中碳化物的影响,但关于热变形条件下铸态M2高速钢的力学行为及组织变化规律,迄今还不十分清楚。本文着重研究铸态M2高速钢在1000~1150℃及0.01~1.0s-1条件下的变形行为,确定其热变形方程,绘制热加工图并分析显微组织,为科学制订铸态高速钢热加工工艺制度提供理论依据。1试验冷却和试验过程热变形试验在Gleeble-3500热模拟试验机上进行,采用尺寸为ue7888mm×15mm的柱形试样。试样以10℃/s的速度加热至1200℃,保温10min,然后以10℃/s的速度分别冷却到不同变形温度,保温5s以消除温度梯度,再进行压缩变形。变形温度分别为1000、1050、1100和1150℃,应变速率分别为0.01、0.1和1.0s-1,应变为1.0(63%),变形后立即水淬,以保留高温组织。试验过程中在试样两端与试验机压头之间加厚度约为0.1mm的钽片和涂抹MoS2,抽真空并充入氩气以防止试样氧化。变形后的试样沿轴线切开,使用100ml饱和苦味酸溶液加少量十二烷基苯磺酸钠的混合溶液腐蚀试样奥氏体晶界,利用金相显微镜观察分析热变形后的组织特性。2结果与分析2.1变形温度对流变应力的影响铸态M2高速钢在1000~1150℃及0.01~1.0s-1条件下进行应变1.0(63%)压缩变形后的流变曲线如图1所示。从图1可知,铸态M2高速钢的流变应力和峰值应变均随着变形温度的降低和应变速率的提高而增大。当变形温度相同时,应变速率越高,试样的加工硬化率越大,峰值应力和稳态应力也随之提高;应变速率相同时,变形温度越高,动态软化程度越大,动态软化速率加快,而峰值应力和稳态应力逐渐降低;变形量相同时,流变应力随着变形温度的降低和应变速率的提高而增大。另外,在应变速率恒定的条件下,随着变形温度的升高,应力峰值所对应的应变(即峰值应变)逐渐变小,原子扩散能力及晶界的可动性增强,动态回复或动态再结晶越容易发生。从图1还可以看出,当变形速率为0.01s-1时,铸态M2高速钢在1000℃以上会发生动态再结晶;当变形速率为0.1和1.0s-1时,且变形温度低于1050℃时,流变曲线呈现出部分动态再结晶的特征,即当应力超过峰值应力后,随着应变量的不断增大,流变应力逐渐下降,但稳态应力平台变化不特别明显(见图1b和c)。再有,试样在较高应变速率下变形时,由于变形时间短,形变热来不及散发出去,试样温度不可避免地升高,进而导致流变软化,也会对流变曲线的形状产生影响,在本研究中,试样在变形温度为1000℃、应变速率为1.0s-1时,温升最大达7℃,估算其流变软化可达17MPa,显然这个数值会对峰值应力为319MPa的曲线有一些影响(见图1c)。2.2流变速度及流变参数a金属材料的热变形过程是一个热激活过程,其流变应力与材料化学成分、变形温度T、应变速率6)ε及变形量ε有关。成分确定材料的流变应力σ与变形条件之间的关系可用双曲正弦函数描述:式中,Q为热变形激活能,σ为峰值应力σp或稳态流变应力σs,或相应于某特定应变量的流变应力,本文中σ为σp;R为气体常数,T为绝对温度,n为应力指数,α可通过计算获得,A为材料常数。对在1000~1150℃及0.01~1.0s-1变形条件下所得的流变曲线进行处理后,可得到峰值应力与应变速率和温度之间的关系曲线,经回归处理后可得,A=1.81×1020,n=5.781,α=0.00482,Q=550.16kJ/mol,故铸态M2高速钢的热变形方程为:显然,本文所获得的铸态M2高速钢热变形激活能与Imbert和Milovic研究结果相比,数值相对偏高,这可能与热变形条件、变形时的奥氏体组织状态、碳化物的种类和数量等因素有关。对于高合金钢,热变形条件不同(如变形温度不同),所具有的物相组成及组织状态将不同,热变形的难易程度也不同,从而使其热变形激活能也不同。例如,轧制态M2高速钢在900~1000℃热扭转变形时,其热变形激活能也可达到715kJ/mol。对于本文所用的铸态M2高速钢,其初始显微组织状态与锻态或热轧态M2高速钢的也明显不同,尤其是粗大的树枝晶和连续网状的莱氏体组织在热变形过程中需要破碎,从而造成其热变形激活能的差异。2.3变形温度和应变速率对能量消耗效率的影响基于动态材料模型理论和基本方法及实验结果(见图1),得到铸态M2高速钢的热加工图如图2所示。图2中的等高线数字表示能量消耗效率η。从图2可以看出,应变量对铸态M2高速钢热加工图的形状有一定影响,能量消耗效率η随变形温度的升高和应变速率的增加而增大。当应变量较小时(见图2a),在1050~1150℃、0.01~1.0s-1区域内,随着温度的升高和应变速率ε的增大,η逐渐增大,且在1150℃和1.0s-1时,η达到峰值45%左右;当应变量较大时(见图2b),η相对降低,较高值出现在1050~1150℃和1.0s-1附近区域。热加工图中不同区域η值的差别,一方面反映了热变形温度及应变速率的不同,另一方面,也反映了热变形过程中组织变化的不同,对热加工图进行精确的解释,还需借助于组织观察的结果。2.4以应变速率为2.0s-1变形相模型参照热加工图,图3给出了铸态M2高速钢在不同条件下的典型组织。显然,在1100~1150℃、0.01~1.0s-1变形时,铸态M2高速钢均发生了完全动态再结晶,且在1150℃和1.0s-1变形时晶粒较为细小,为1~2μm(见图3a)。此外,以应变速率0.1和0.01s-1变形时(见图3b、3c、3d),部分再结晶晶粒已经有所长大,最大的可达15μm(见图3c),有的动态再结晶晶粒大小极不均匀(见图3d)。结合热加工图分析和变形后的显微组织分析不难看出,在1050~1150℃温度区间以0.01~1.0s-1的应变速率进行变形,为铸态M2高速钢的热加工工艺条件,在此条件下进行热加工,能量消耗效率较高,且其变形机制为动态再结晶。另外,在加工图中1100℃和0.01s-1附近及最右下角的区域(见图2b),属于晶粒长大区,虽然已发生了动态再结晶,但由于晶粒的长大,能量消耗率η并不大。相对而言,完全再结晶区具有较高的能量消耗效率,而部分再结晶及晶粒长大区的能量消耗效率则较低,能量消耗效率的变化与再结晶进展相吻合。3u2004研究区及材料政策建议1)测定了铸态M2高速钢在1000~1150℃以0.01~1.0s-1变形时流变曲线,其流变应力和峰值应变均随变形温度的降低和应变速率的提高而增大;3)获得了铸态M2高速钢的热加工图,其能量消耗效率η随变形温度的升高及应变速率的提高而增大,且在1150℃和1.0s-1条件下变形时,η接近峰值,动态再结晶晶粒较为细小;4)建议铸态M2高速钢的热加工工艺条件为:1050~1150℃和0.01~1.0s-1。实验材料为工业用铸态M2高速钢锭,其化学成分(质量分数,%)为:0.87C,6.06W,4.79Mo,4.09Cr,1.89V