研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
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ISSN: 2321 - 6212
2机械与工程学院电气工程陕西科技大学，陕西西安710021
收到的日期: 13/09/2017;接受日期:03/10/2017;发布日期: 12/10/2017
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000197
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为了优化粉末冶金高速钢的热加工工艺，采用Gleeble-1500D模拟方法，研究了粉末冶金高速钢在温度为1000 ~ 1150℃、应变率为0.001 ~ 1.0 s-1、变形率为60%条件下的热变形行为。分析了不同温度和应变速率下的流变应力。结果表明，变形温度和应变速率对流变应力有显著影响。峰值应力和相应的应变均随温度的升高和应变速率的降低而减小。变形温度、应变速率和变形活化能对显微组织有较大影响。变形活化能为750.67 kJ/mol。建立了峰值应力对应的应变数学模型。峰值应力对应的应变与临界应力对应的应变之间的关系可以描述为εc=0.606 εp。基于分段的思想，建立了不同应变下的分段动力本构方程。
高速钢是一种具有特殊性能的钢材，它具有良好的性能和稳定的硬度和良好的韧性的优良结合[1，2］．主要用于制造复杂薄刀片和金属刀具，也可生产高温轴承和冷挤压模具。然而，这种合金是相当困难的变形，因为含量高合金元素。其热和易性对变形温度和应变速率敏感。随着工业的发展，粉末冶金高速钢紧随其后。PM高速钢具有避免合金元素和碳化物偏析引起的力学性能退化和热处理变形的优点。
研究了传统高速钢的热变形行为和本构方程[3.，4］．但是，对PM高速钢的研究相对较少。在变形过程中，本构方程作为热变形的一个重要组成部分，已在大量钢和合金中得到了研究[5-16］．本构方程可以描述变形温度、真应变、应变速率和流变应力之间的关系。然而，动态软化机制对流动应力的影响较大。在建立本构方程时，应考虑动态软化机制。为了描述动态再结晶过程，本文提出了一种新的动态本构方程。基于热模拟的压缩在不同变形温度和应变速率下，初步研究了峰值应力和相应的应变、临界应力和相应的应变，最终建立了新的动态本构方程。这些结果为PM高速钢的热变形研究提供了有益的参考。
本研究所用高速钢采用热等静压机(HIP)生产。采用氩气雾化法得到原始粉末颗粒，颗粒直径在20 ~ 50 μm之间。化学成分(wt，%)为:C, 1.15;Cr, 4.00;V, 3.00;W, 6.00;密苏里州,5.00;Fe平衡。将粉末封装在不锈钢胶囊中，然后在1100-1150℃的温度下，在110 MPa的压力下，HIP生产3小时。图1呈现典型的微观结构这种PM高速钢在热变形前由回火马氏体基体组成，其中含有细而均匀分布的碳化物。
图1:1.15C-4.00Cr-3.00V-6.00W-5.00Mo PM高速钢的典型组织，由回火马氏体基体和细小均匀分布的碳化物组成。
从as hiped坯料中加工出直径8mm、高12mm的圆柱形压缩试样。在Gleeble-1500D热模拟机上进行了变形温度为1000、1050、1100和1150℃的等温热压缩试验，恒应变速率分别为0.001、0.01、0.1和1.0 s－1,分别。所有压缩试样以10°C/s的速率加热并保持3分钟。将试样压缩到原高度的60%，然后进行喷雾淬火，观察组织结构。整个加热、保温、热压缩过程均采用氩气保护。变形后，利用OLYMPUS-PMG3光学显微镜观察变形试样的晶粒组织，分析其显微组织。
流动应力行为
图2显示了该PM高速钢在不同条件下的典型真应力-真应变曲线变形温度和应变速率。这些曲线可以反映变形温度、应变速率和真应变对流变应力的影响。大多数曲线表现出典型的动态再结晶特征[17］．随着真应变的增加，流变应力先因加工硬化而增大至峰值，然后逐渐减小并趋于稳定。应力峰值出现在0.05 ~ 0.10的应变范围内。峰值应力对应的应变随温度的降低和应变速率的增加而增大。因此，DRX是主要的软化机制。而温度的降低和应变速率的提高会延缓DRX的发生。在峰值应力后，应力随应变的增加而减小。在一定条件下，流变应力随应变的增加而保持不变，达到稳态应力状态。这种流动行为表明，软化机制(DRX, DRV)的影响足以抵消加工硬化的影响。这与其他材料的观察结果很吻合，如高温合金[18]和钛合金[19］．
图2:在应变速率为(a) 1.0、(b) 0.1、(c) 0.01和(d) 0.001 s时，PM高速钢变形的真应力-真应变曲线－1,分别。
峰值应力与相应应变的关系
根据该PM高速钢的真应力-真应变曲线，可以得到峰值应力和相应的应变。不同变形温度和应变速率下的峰值应力和相应应变如图所示图3及4．实验结果表明，变形温度和应变速率对峰值应力和相应应变有较大影响。两者均随温度的降低和应变速率的增加而增大。有两个原因可以解释这一现象。一方面，随着变形温度的升高，材料的热活化增强，原子平均动能增大，晶体滑移的临界切削应力减小，位错运动与滑移之间的阻断作用减小;另一方面，随着变形温度的升高，动态软化更容易发生。它可以降低变形过程中的位错密度，抵消加工硬化，从而促进峰值应力和相应应变的降低[20.］．因此，随着变形温度的升高，峰值应力和相应的应变逐渐减小。在低应变速率下，单位时间内的塑性变形减小，蠕变时间充裕。位错增殖速率的降低导致位错密度的降低。变形孪晶、位错等缺陷在变形过程中减少，导致流变应力减小。同时，变形时间的延长有利于充分DRX，导致峰值应力和相应应变的降低。
图3:粉末冶金高速钢在不同温度和应变速率下的峰值应力。
图4:粉末冶金高速钢在不同温度和应变速率下峰值应力对应的应变。
根据Sellers [17，18]，即峰值应力ε对应的应变之间的关系p时，变形温度T和应变速率ε可表示为:
ε = a2ε.m1exp(问1/ rt) (1)
在那里,问1为再结晶活化能;R是气体常数;和m1和一个2都是常数。
峰值应力对应的应变与临界应力之间的关系可表示为:
（2）
式中εc为临界应力a1是常数。
根据实验数据的线性回归，可以得到Q1=86.09 KJ/mol, a2=2.02 × 105和m1= 0.08795。因此，在1000 ~ 1150℃的变形条件下，应变率在0.001 s之间－1和1.0 s－1时，峰值应力对应的应变可表示为:
（3）
应力峰值之间对应的应变模拟实验结果显示在图5，计算值与实验值误差较小，误差平均值小于4%。因此，所建立的数学模型可用于计算不同温度、不同应变速率下峰值应力对应的应变。
图5:模拟与实验之间的峰值应变。
热变形活化能
根据Sellers [21，22]时，流变应力、变形温度与应变速率之间的关系可以用通用双曲正弦函数表示为:
（4）
式中，σ为流变应力;Q为热变形活化能;A， а， n是常数。
Zener-Hollomon参数(Z参数)即温度修正应变率，被广泛用于表征应变率和温度对变形过程的综合影响。可以用下式表示:
（5）
eqn的对数。(4)可表示为:
ln ε = ln A + nln[sinh(ασ)]−Q/ RT (6)
对eqn两边求导。(6)应变率和1/T时，热变形活化能可表示为:
(7）
基于eqn。(7)、热变形活化能可得Q。表1为不同变形温度和应变速率下的Q值。结果表明，热变形活化能受变形温度和应变速率的影响较大。不同变形条件下Q的平均值为750.673 KJ/mol。
| 温度/°C | ||||
|---|---|---|---|---|
| 0.001 | 0.01 | 0．1 | 1 | |
| 1000 | 742.337 | 772.156 | 846.141 | 899.435 |
| 1050 | 703.621 | 731.884 | 802.011 | 852.525 |
| 1100 | 660.401 | 686.929 | 752.748 | 800.159 |
| 1150 | 621.872 | 646.852 | 708.831 | 753.476 |
表1。热变形激活能值问在不同温度下应变率。
此外，还研究了变形活化能与热动力学行为之间的内在关系。变形活化能的大小对显微组织有很大的影响。在不同的变形温度和变形温度下，显微组织有较大的差异应变率．图6显示了该PM高速钢在不同变形温度和应变速率下的典型变形组织。在相同的变形温度下，变形活化能随着应变速率的升高而增大。由于变形速度快，变形活化能大，使动态恢复和动态再结晶难以发生，高温下丸体停留时间不利于这些软化机制。图6b和6c可用于显示这种现象在热变形。在相同应变速率下，变形活化能随变形温度的升高而降低。此外，高温有利于动态恢复和动态再结晶。从微观结构上看，温度升高有利于动态恢复和动态再结晶图6c和6d．如图所示，在较高的变形温度和较低的应变速率下，会发生连续的动态再结晶和晶粒生长图6 f．随着变形温度的升高和应变速率的降低，破碎晶粒发生充分的动态再结晶。结果，显微组织精细均匀。
图6:在(a) 1000°C/1.0 s条件下热压后PM高速钢的典型组织－1， (b) 1050°C/1.0 s－1， (c) 1050°c /0.001 s－1(d) 1100℃/0.001秒－1， (e) 1150°C/1.0 s－1和(f) 1150°C/0.001 s－1．
峰值应力对应应变与临界应力对应应变的关系
峰值应力对应的应变与临界应力对应的应变之间的关系可表示为eqn。(2)， a的常数1可根据不同温度和应变速率下峰值应力对应的应变和临界应力对应的应变计算。
根据真应力-真应变曲线可以得到不同温度下的应变硬化速率和应变速率。通过拟合得到加工硬化速率与应变的线性关系。在1100℃时的应变硬化速率和0.01 s的应变速率－1显示在图7．基于此，1100℃温度下不同应变速率下的应变硬化速率为图8．应变速率为0.01 s时的应变硬化速率－1不同的温度显示在图9．
图7:在1100℃时的应变硬化速率和0.01 s的应变速率－1．
图8:在1100℃和不同应变速率下的应变硬化速率。
图9:应变速率为0.01 s时的应变硬化速率－1和不同的温度。
根据加工硬化速率曲线，可得到不同温度、不同应变速率下临界应力对应的应变，如表2)，临界应力对应的应变随温度的升高和应变速率的降低而减小。因为，随着变形温度的升高和应变速率的降低，晶界的迁移率增大，晶粒的积累时间延长失真能量和位错湮灭延迟，有利于动态再结晶等软化机制[23］．
| 温度/°C | ||||
|---|---|---|---|---|
| 0.001 | 0.01 | 0．1 | 1 | |
| 1000 | 0.0229 | 0.0258 | 0.0326 | 0.0447 |
| 1050 | 0.0169 | 0.0208 | 0.0251 | 0.0321 |
| 1100 | 0.0115 | 0.0183 | 0.0197 | 0.0273 |
| 1150 | 0.0102 | 0.0125 | 0.0135 | 0.0204 |
表2。应变对应于粉末冶金高速的临界应力不同温度和应变速率下的钢。
根据峰值应力对应的应变值和临界应力对应的应变值，两者都可以用线性拟合(如图10)，线性的斜率为0.606,eqn。(1)可写成:
（8）
图10:模拟与实验之间的临界应变。
因为实验材料是粉末冶金高速钢，晶粒较小，在热模拟压缩过程中容易发生动态再结晶，且临界应力对应的应变较小，值为a1并不大。
不同截面动态再结晶本构方程
根据该PM高速钢的真应力-真应变曲线，动态软化机制为动态恢复和动态再结晶，且在不同应变范围内，这两种机制起不同的主导作用。当应变达到一定值(临界应变)时，应力达到峰值后呈下降趋势，此时动态再结晶起主导作用。在建立本构方程时，应充分考虑动态软化机制。建立了不同截面的动态再结晶本构方程，较好地预测了不同温度和应变速率下PM高速钢的真应力-真应变曲线。当热变形以加工硬化和动态恢复为主时，应力与应变的关系可表示为[24]：
（9)
其中，C是常数。
eqn的对数。(4)可由线性关系表示，线性的斜率为常数C在eqn中。(9).我们可以在真应力-真应变曲线上选择若干点，用线性拟合这些数据:
C = 0.8739 (10)
eqn中的峰值应力。(4)可用热变形方程表示:
（11）
eqn。(2)可以用另一种形式表示:
Z = εexp(Q/ RT) = A[sinh(ασ)]n（12）
使用eqn。(12)在eqn。(6):
（13）
对不同温度和应变速率下的峰值应力进行线性回归分析，得到n、Q、A值分别为n=8.192、Q=750.673 KJ/mol、A=9.6737 × 109．因此峰值应力可表示为:
(14）
另一个表达是:
eqn。(3)可以用另一种形式表示:
(15）
当ε<εp，分段本构方程可表示为:
（16）
当ε≥p时，基于动态再结晶机理，动态再结晶发生后的流动应力可用Arrhenius方程描述，分段本构方程可表示为:
(17)
在那里,σ党卫军为动态再结晶的稳态应力，C1是一个与软化程度和真应力-真应变曲线有关的系数。
在稳态流动应力之前，真应力-真应变曲线上任意一点均可选取，应变为εk，对应应力为σk(σ党卫军<σk<σp)，即系数C1可以通过将应变和应力代入eqn得到。(17):
（18)
计算过程中εk值为0.6，对应应力σk可以确定。加上εk和σk进入eqn。(18)， C1在任何温度和应变速率下都可以得到。此外，在εk值的选取过程中，C1εk值越大越合适。在计算过程中，本文选取εk值在0.6附近。
与峰值应力的计算方法相同，不同温度和应变速率下的应力稳态可以用热变形方程表示:
(19)
通过回归得到n=5.1027，稳态应力对应的活化能为Q=466.361 kJ/mol。A的值取决于温度和应变速率，不同条件下的A值可以通过回归得到。所以是eqn。(14)可以写成:
(20)
在一定温度和应变速率下的稳态应力值可由上式计算。使用命令。(14)、(15)及(20)及C1在eqn。(17)，当ε≥ε时，可得到本构方程p．
(21）
实验模型验证:不同温度和应变速率下的流动应力可由上述截面本构方程得到。以应变速率为0.01 s-1为例，可以将计算值与实验值进行比较。结果显示在图11．
图11:动态再结晶时实验和计算流变应力曲线的比较(=0.01 s－1）.
经验证，动态再结晶分段本构方程与实验值吻合较好，平均误差约3.4%，特别是在高温下，流动应力计算结果与实验结果更为吻合。在相同变形温度下，随着应变的增大，误差值逐渐减小。当应变达到一定值后，实验值与计算值基本一致。因此，本文得到的动态再结晶本构方程可以很好地预测高应变下的流动应力。
1.该高速钢在热变形过程中流变应力受应变的影响。由于初始阶段(ε<0.1)以加工硬化为主，流变应力急剧增大并迅速达到峰值;随着应变的继续增加，动态软化的作用大于加工硬化的作用，流动应力逐渐减小，随着应变的进一步增加，流动应力趋于稳定。流变应力随变形温度的升高或应变速率的降低而减小。
2.热变形过程中，变形温度和应变速率对峰值流变应力和相应的应变有显著影响。两者均随变形温度的升高或应变速率的降低而减小。建立不同应变速率和变形温度下峰值应力对应的应变数学模型为:
3.在变形过程中，不同变形阶段的应变硬化速率差异极大。在变形初期，应变硬化速率急剧下降。当应变达到临界应变时，应变硬化速率降低速度较慢，应变硬化速率达到负值。应变硬化速率逐渐增大，并随着应变的进一步增大逐渐趋向于零，因此流变应力达到稳定状态。峰值应力对应的应变与临界应力对应的应变之间的关系可以描述为:εc=0.606 εp．
4.热变形中应考虑动态再结晶的软化机制，建立PM高速钢不同截面的动态再结晶本构方程为:
当ε<εp：
当ε≥ε时p：
国家自然科学基金项目(No. 51775440)、国家自然科学基金项目(No. 51175431)和中国博士后科学基金项目(No. 2012T50818)资助。
