工程机械用Q690钢的热变形行为

王程明, 杨 浩

(河钢材料技术研究院, 石家庄 050000)

工程机械用钢广泛应用于汽车、航空、机械、海洋等领域，由于工作环境恶劣，且近年来随着各领域对工程机械用钢的需求量大幅增加，工程机械用钢不断向综合性能更好的方向发展,尤其要具备优良的热加工性能。不少学者对工程机械用Q690钢[1-2]的耐磨损性能、焊接性能、塑性、韧性以及新品种研发等方面进行了大量研究，但对该材料高温热变形方面的研究相对较少。

笔者采用Gleeble3800型热模拟试验机对工程机械用Q690钢进行高温压缩试验，建立了材料的真应力-真应变曲线，分析了变形温度和应变速率对Q690钢热变形行为的影响，构建了材料的热变形方程和热加工图，并观察了不同热变形条件下材料的显微组织，结果可为确定合适的热加工参数提供参考。

1 试验材料及方法

试验材料为某厂真空炉冶炼的工程机械用Q690钢，该钢的化学成分如表1所示。

表1 工程机械用Q690钢的化学成分 %

将材料线切割加工成尺寸为10 mm×15 mm(直径×高度)的标准圆柱试样，利用Gleeble3800型热模拟试验机对试样进行高温压缩试验，试验过程中，为避免试样发生氧化，将试验腔抽真空结束后充入氩气，使整个试验均在保护气氛中。

具体试验工艺为：将试样以10 ℃/s的速率升温至1 200 ℃，保温3 min后，以5 ℃/s的速率降温至变形温度，即1 150，1 100，1 050，1 000，950，900，850 ℃，保温30 s，分别以0.01，0.1，1，10 s-1的应变速率进行50%的压缩变形。变形结束后，为保留原组织，对试样进行快速水冷；将变形后的试样沿轴向切割，制成金相试样，经研磨、抛光后，用过饱和三硝基苯酚和适量洗发水进行腐蚀，为避免过度腐蚀，要不时地将试样从溶液中拿出，并用脱脂棉擦拭可能存在的残留剂，最后采用光学显微镜观察试样的显微组织。

2 试验结果与分析

2.1 Q690钢的真应力-真应变曲线

Q690钢在不同变形温度和应变速率下的真应力-真应变曲线如图1所示，由图1可以看出：在不同变形条件下，Q690钢的流变应力均随温度的降低和应变速率的升高而增加。在温度为1 150 ℃，应变速率为0.01 s-1的高变形温度、低应变速率条件下，Q690钢呈现出明显的动态再结晶现象，在流变应力曲线上表现为流变应力先增加后降低，最后趋于平稳，有明显的峰值应力；而在高应变速率、低变形温度下，Q690钢呈现出明显的动态回复现象，流变应力曲线并没有明显的峰值应力，该条件下Q690钢不易发生动态再结晶，如温度为850 ℃，应变速率为10 s-1的热变形条件。

图1 Q690钢在不同变形温度和应变速率下的真应力-真应变曲线

在同一应变速率下，Q690钢流变应力随变形温度的升高而降低，这是因为温度越高，材料的热激活能就越强，原子有了足够的活动能，晶界阻力降低，导致流变应力减小。

在同一变形温度下，Q690钢流变应力随应变速率的升高而增加，这一现象是由位错密度增加导致的。应变速率增大不仅使得位错密度增加，变形受到阻碍，而且会缩短动态再结晶时间，阻碍再结晶发生，导致流变应力增加。

2.2 Q690钢的热变形本构方程

热变形本构方程是描述材料变形行为的重要数学模型，阐述了应力应变、应变速率以及温度之间的关系，本构方程的建立对建立数值模拟模型具有重要意义。

为建立Q690钢的热变形本构方程，采用SELLARS提出的双曲正弦模型[3-6]来表达，如式(1)所示。

(1)

将式(1)两边取对数，得到

(2)

图2 ln sinh(ασp)与和的关系曲线

对式(1)进行变换，即可得到Zener-Hollomon(Z)参数的表达式，可用来描述变形温度与应变速率之间的关系，如式(3)所示。

Z=A[sinh(ασp)]n

(3)

对式(3)两边求导，可得到lnZ与ln sinh(ασp)的关系曲线(见图3)，对式(3)进行线性拟合，可得到A=5.821 4×1015。

图3 lnZ与ln sinh(ασp)的关系曲线

综上可得出Q690钢的热变形本构方程为

(4)

2.3 热加工图的建立

热加工图是评定材料可加工性能的重要依据，可用来选择变形工艺参数和改善材料的加工性能。研究人员建立了基于动态材料模型的热加工图[7-15]，认为材料变形所消耗的总功率P由塑性变形产生的耗散量G以及变形过程中组织演变产生的耗散协量J组成，P的表达式如式(5)所示。

(5)

G和J的比值为应变速率敏感因子m，可由式(6)表示。

(6)

功率耗散因子η表示变形过程中显微组织变化耗散量占总耗散量的比值，一般η越大，表明此区域越稳定，材料可加工性越好，η可由式(7)表示。

(7)

(8)

图4为Q690钢在真应变为0.5时得到的热加工图，图中等高线上的数值就是不同热变形条件下的η，阴影部分表示Q690钢的失稳区域，白色部分表示Q690钢的安全区域。从图4可以看出：试验得到的0.5真应变下的热加工图在整个温度范围内均存在失稳区，尤其是应变速率为1 s-1时，各个温度区域均失稳，且η随变形温度和应变速率的变化而变化；当变形温度升高或应变速率降低时，Q690钢的η会随之增大， 反之则减小；当Q690钢在温度为850～930 ℃，应变速率为1 ～ 10 s-1时，该区域的η较小，最大为0.11，说明不适合在该区域内进行加工；当Q690钢在温度为1 000 ～ 1 150 ℃，应变速率为0.06 ～ 0.12 s-1时，η虽然由0.11增加到0.27，但其处于失稳区域，在此区域的加工性能依然较差；当Q690钢处于1 080～1 150 ℃，应变速率为0.01～0.3 s-1时，Q690钢的η较高，最小为0.3，最大为0.39，此区域为Q690钢的安全区域，材料性能稳定，可加工性能较好。在实际热加工过程中，应尽量避免失稳区域，要选择相对安全的加工区域对材料进行加工。

图5为不同热变形条件下Q690钢的显微组织形貌。从图5a)可知，在温度为850 ℃，应变速率为10 s-1的变形条件下，Q690钢的显微组织为粗大的奥氏体晶粒，且晶粒被明显拉长，没有发生动态再结晶，对应图4可看出，此时材料处于失稳区，功率耗散值较低。从图5b)可知，在温度为950 ℃，应变速率为1 s-1的变形条件下，随温度的升高，应变速率降低，被拉长的晶粒得到缓解，并开始向动态再结晶的趋势发展，但仍以动态回复为主，此状态的η只有0.15，组织还是失稳状态。从图5c)可知，若进一步提高变形温度至1 050 ℃，降低应变速率至0.1 s-1，此时组织为等轴状的再结晶晶粒，说明已发生明显的动态再结晶现象，材料处于稳定区，功率耗散值η也增大至0.35。从图5d)可知，当温度继续升高至1 150 ℃，应变速率降至0.01 s-1时，组织仍为均匀的等轴状再结晶晶粒，只是晶粒开始变大，结合图4可以看出，此时材料的η达到峰值0.39，再次说明该区域适合材料的加工成型。

图4 Q690钢在真应变为0.5时的热加工图

图5 不同热变形条件下Q690钢的显微组织形貌

3 结论

(1) 变形温度和应变速率对Q690钢的热变形行为有重要影响，随着变形温度的降低或应变速率的增加，Q690钢的峰值应力和峰值应变会增大。

(2) Q690钢的热变形激活能为432.354 5 kJ/mol。

(3) Q690钢最优的热加工条件是温度为1 080～1 150 ℃，应变速率为0.01～0.3 s-1。