Aermet100钢热变形过程中微观组织演变规律

白克非

（中国航空发动机集团有限公司，北京 100097）

超高强度钢因其优良的特殊性能，被致力于航空、航天、汽车等高端领域，用于制造一些承受高应力的结构件。其屈服强度一般都＞1180MPa，抗拉强度＞1380MPa[1]。史上陆陆续续研发出了许多超高强度钢且被致力于航空航天应用上，而在这些钢的基础上通过优化合金元素、采用先进冶炼工艺以及改善热处理制度等措施又发展了一系列高强度和超高强度钢，以期满足航空航天工业快速发展的需要[2]。

超高强度钢按照合金元素含量可以划分为，低合金钢、中合金钢和高合金钢。

低合金超高强度钢是回火马氏体钢[3]，马氏体呈现板条状。是一种由调质结构钢，在航空航天领域中仍担当重要角色，但其缺点是断裂韧性不高，对应力腐蚀开裂敏感[4]，但是可以保证钢的淬透性，可以细化晶粒、增加回火稳定性。其含碳量约占0.3%～0.5%，合金元素含量约占0.3%～0.5%。是一种较成熟的钢种。我国飞机的起落架就是由低合金超高强度钢制造而成的。

中合金超高强度钢具有淬透性好、回火稳定性高等优点其碳含碳量约占0.4%，元素总量约占5%～10%。因其回火稳定性高[5]，在较高的500℃左右使用时仍有高的强度。其缺点仍是断裂韧性和抗应力腐蚀性差，适用于500℃左右的工作环境但是在航空航天上受到很大的限制。

高合金超高强度钢也可以细分为马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢。是为满足快速发展的航空领域对高强度、高韧性材料的迫切需求而开发研制的特殊钢种。其合金化程度高，合金元素总含量大，且力学性能综合各个方面都比较完善。这类钢的强度和韧性较好。

AerMet100钢不仅有超高强度，而且有良好的耐疲劳性、断裂韧性、抗腐蚀，被认为是下一代先进战机起落架和先进战机重要承力构件的首选材料。AerMet100钢是上世纪80年代美国的Car-penter公司Schmidt和Hemp-hill等人在AF1410钢的基础上使用提高断裂韧度的理论为主题研究出的新型二次硬化超高强度钢[6]。Aermet100钢锻件内部组织主要受热压缩中的热加工性的影响。因此掌握AerMet100钢圆柱形试样压缩时微观组织的规律极为重要[7,8]。

1 实验方法

本实验材料为AerMet100钢铸锭，试样为Φ8mm×12mm的圆柱棒。化学成分如表1所示。实验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5min。热压缩实验过程中包括，加热、保温、压缩、冷却4个阶段。实验参数如表2。

表1 Aemet100钢典型化学元素含量

将热压缩之后的样品先沿着中轴线方向切为两部分，由于切割后的尺寸过小，所以首先进行镶嵌处理。本次实验选用Cr2O3抛光液对AerMet100钢试样进行机械抛光。抛光完成后采用4%的硝酸乙醇溶液腐蚀。腐蚀剂为选4mL的硝酸和96mL的乙醇配置，将4mL的硝酸通过引流棒引入96mL的乙醇中。腐蚀剂为4%的硝酸乙醇溶液，浸蚀一定时间让其原奥氏体晶粒显现。

2 AerMet100钢微观组织分析

2.1 AerMet100钢的原始组织

Aemet100钢圆柱试样在热变形过程中，因为发生的动态再结晶会直接影响锻件的晶粒大小，从而影响Aemet100钢的综合力学性能。虽然实验过程中采用石墨片了对试样端面进行润滑处理，但试样端面与压头之间仍存在一定程度的摩擦使其不能理想化，使得试样内部应力产生一定的不均匀，进而使压缩试样呈现鼓形，具有不同的变形区，如图1所示，其中Ⅰ为难变形区、Ⅱ为小变形区、Ⅲ为大变形区。本实验观察Ⅲ大变形区的金相组织。

表2 变形条件

图1 热压缩试样变形量分区

热压缩实验前Aemet100钢的纵截面原始组织如图2所示。可以清晰地看到其原始纵截面组织均匀。

图2 Aemet100钢原始组织金相

2.2 应变速率对组织的影响

由图3可以看出，大变形区中的组织在温度860℃、应变速率为 0.01、0.1、10s-1时，Aemet100 钢内部组织发现了非均匀的细小等轴晶。且产生的动态等轴晶晶粒在应变速率为10s-1时最小，在应变速率为0.01s-1时为最大。表现出了动态再结晶晶粒跟应变速率成反比关系。说明在860℃的热变形过程中，Aemet100钢在动态回复阶段晶界处发生了动态再结晶。随着应变速率的升高，如10s-1时，Aemet100钢内部组织的晶界处呈现出了锯齿状，并且晶界处产生大量呈“项链状”、尺寸细小的非均匀等轴晶。

当随着应变速率高时，虽然位错数量的增多可以为动态再结晶的进行提供更多的驱动力，应变速率的增加使热形变结束的时间变短，直接使动态再结晶晶粒来不及长大，导致晶粒尺寸细小且非均匀，组织变的越发不均匀。反而随着应变速率小时，动态再结晶过程可以得到充分的进行，晶粒逐渐长大，趋近尺寸大且均匀的等轴晶。

由此可见，应变速率的增加有利于Aemet100钢细化晶粒。

2.3 变形温度对组织的影响

如图4为应变速率为1s-1和变形温度为920℃、1080℃、1130℃、1200℃时，AerMet100钢金相显微组织。

图4（a）为应变速率为1s-1和变形温度为920℃下的Aemet100钢组织，可以看出Aemet100钢从此时开始已经有了动态再结晶晶粒，但是发生的不多，随变形温度升至1080℃或者1130℃时，大变形区呈现均匀分布的细小、等轴状的动态再结晶组织，发生动态再结晶的体积分数接近100%，此时的难变形区中形变孪晶现象消失，原先呈平直化的原始组织在三叉晶界处汇聚了很多细小的动态再结晶组织，但再结晶程度较低，而小变形区中发生的动态再结晶程度较大；当温度达到1200℃时，大变形区和小变形区的组织均发生了完全动态再结晶，且再结晶组织中可能存在二次再结晶现象，主要分布在已充分长大的动态再结晶组织相交晶界处；除此之外，难变形区组织在高温下较为粗大，有明显的拉长现象，晶界处也有成链状分布的动态再结晶组织出现。上述的组织演变特点分析表明：变形温度对不同压缩变形区组织演变结果有较为显著的影响；随着变形温度的升高，大变形区组织由低温下未充分完成的动态再结晶组织逐渐演变成高温下已充分完成的动态再结晶组织，且再结晶组织晶粒尺寸发生明显长大，整个区域的组织大小均匀性有所提高。

图3 不同应变速率下的组织（ε=0.6，T=860℃）

图4 不同温度下的组织（ε=0.6，ε=1s-1）

变形温度的升高，可以明显看到动态再结晶晶粒的长大。AerMet100钢晶粒组织在低温情况下未充分完成的动态再结晶随着温度的提高在逐渐向充分完成方向聚拢，组织均匀性有所提高。当热变形温度较低时组织呈现加工硬化性质。随着热变形温度上升组织发生动态再结晶行为，动态再结晶形成新生小晶粒。

由于AerMet100钢晶粒组织中的位错运动是一个热激活过程，随着热变形温度越来越高，AerMet100钢中的原子扩散动能越来越大，原子扩散动能的提高会使原子振荡频率提高，使得原子扩散、位错运动以及晶界的迁移更易进行。另一方面，随着热变形温度越来越高，提供动态再结晶的驱动能越多，动态再结晶的发生越多并可充分进行。随着热变形温度越来越高，软化作用同样可以充分进行，软化作用对硬化作用的抵消越加充分，所以曲线上流变应力越加下降。

3 结语

Aemet100钢热变形时随着真应变的增加，在光镜下可以明显看出组织发生的动态回复以及动态再结晶特征。Aemet100钢随着热变形温度的升高有利于动态再结晶进行的更完全。低温时可得到细小的动态再结晶晶粒，这对细化晶粒有着明显帮助。当热变形应变速率的下降时，更容易发生动态再结晶，同时高应变速率更易获得细小的动态再结晶晶粒。