42CrMo钢热变形行为及热加工图研究

李赵阳，王建梅，吉宏斌，毛泱博，王震宇

(太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

随着重大装备向高质量、高效率和高可靠性方向发展，对轴承力学性能提出了更高的要求。通常，轴承钢为高碳轴承钢，而中碳轴承钢相较于高碳轴承钢不存在网状碳化物析出的问题，并且残余奥氏体组织可控制在较低范围，是超高速高精密滚动轴承的发展方向[1-2]。ECAP具有显著细化晶粒的特点，可以增加材料的力学性能[3]。但由于42CrMo钢的高强度特点，必须在高温下进行。因此，需确定最佳热挤压工艺参数，得到最优的热加工工艺区间。

热加工工艺通过不同温度和应变速率来实现对组织和性能的影响，进而影响轴承的服役性能和寿命。郭卜瑞等[4]研究了40Cr钢的热变形行为和热加工性能，给出了流动应力的预测模型和最佳的热加工工艺区。廉学魁等[5]通过构建GE1014钢的热加工图，得到了均匀且细小的完全动态再结晶组织。胡志强等[6]通过构建退火态42CrMo的热加工图，得到了最佳的热加工工艺参数。宋泽等[7]通过9Ni钢的热变形实验，得出其最优的加工工艺区间，为9Ni钢的控扎控冷工艺提供了参考。

因此本文通过42CrMo钢的热变形实验，分析工艺参数对流变曲线的影响，同时构建了其峰值应力下的本构方程，给出了流变应力的预测模型；确定42CrMo钢的最优热加工工艺范围，为ECAP高温挤压提供借鉴。

1 试验材料及方法

本文实验所采用的材料是42CrMo中碳钢，化学成分如表1所示。试样的获取方式为线切割，试样的大小为Φ10 mm×12 mm，变形量为60%，温度为1 123～1 223 K，应变速率为0.1～10 s-1，具体过程如图1所示。试样先是以10 K/s的速度升到变形所需要的温度，保温时间为120 s，目的在于消除热压缩试样内部的温度梯度，然后进行热压缩实验，结束后立即水冷。

图1 42CrMo钢热压缩实验过程

表1 42CrMo钢各化学元素的质量分数

2 实验结果与分析

2.1 真应力-真应变曲线

42CrMo钢经过热压缩后的流变应力曲线如图2所示，各曲线在达到峰值应力之前具有相同的趋势。变形初期，随着应变的不断增加，变形抗力急速上升，即为加工硬化；在到达峰值应力之后，流变应力曲线呈现出两种不同的类型。实验工况为1 s-1、1 123～1 173 K和10 s-1、1 123～1 223 K的流变应力曲线为动态回复型曲线，到达一定的应变量之后，流变应力保持稳定。实验工况为0.1 s-1、1 123～1 223 K和实验工况1 s-1、1 223 K的流变应力曲线为动态再结晶型曲线，变形后期流变应力再次上升，说明了加工硬化再次占据主导地位。

图2 不同变形温度下的42CrMo钢流变应力

图3表示流变应力在不同的应变速率下随温度的变化。由图可知，在相同的应变速率下，流变应力有相同的趋势，均是随着变形温度的升高而降低；在相同的变形温度下，流变应力均是随着应变速率升高而上升。综合文献[8]可知，随着变形温度的不断升高，产生了新的滑移机制；伴随着温度的升高，还会消除在变形时存在的部分位错，导致动态回复发生，进而降低了应力；随着变形速率的不断提高，42CrMo钢发生变形的时间缩短，导致软化作用较弱，所以使得流变应力增加。

图3 不同应变速率下流变应力随温度的变化

2.2 42CrMo钢本构方程建立

(1)

(2)

(3)

(4)

对式(1)、式(2)取对数，得到：

(5)

(6)

图4 和的关系曲线

将上面计算的α值带入式(3)，并对式(3)的等式两边分别取对数得到式(7)：

(7)

ln[sinh(ασ)]=C+D(1 000/T)

(8)

以ln[sinh(ασ)]-1 000/T为坐标做出图5(b)，求得斜率平均值为5.704 87，得到峰值变形的热激活能Q=349.931 19 kJ/mol。

图5 和ln[sinh(ασ)]-1 000/T的关系曲线

对式(5)等式两边取对数得：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(9)

做出lnZ-ln[sinh(ασ)]的曲线图，见图6。经过线性回归分析之后，得到截距lnA=34.724 12，A=exp(34.724 12)。

图6 线性拟合曲线ln Z-ln[sinh(ασ)]

将上面得到得α、n、Q和A带入式(3)中，可得到42CrMo钢的本构方程为

exp(-3.499×105/(RT))

(10)

材料的各种常数在被确定之后，可以依据Z参数来预估给定应变下的流变应力：

(11)

因此，峰值应力和参数Z函数关系的本构关系为

[(Z/exp(34.724 12))2/7.377 8+1]0.5}

(12)

在热变形的整个过程中，应变对其他材料参数(α、n、Q和A)的影响显著[10]。现利用数学回归的方法原理[11]，进行六次多项式拟合，得到带有ε的α(ε)、n(ε)、Q(ε)和A(ε)，其拟合结果见图7，其六次多项式拟合方程如下：

图7 应变和材料参数的多项式拟合

(13)

将α(ε)、n(ε)、Q(ε)和A(ε)带入式(11)，得到含有Z参数的应变补偿方程：

(14)

现将各应变值带入式(14)，间隔相同且均为0.05，通过计算得出各应变量的流变应力，并和实验获得数据相对比，对比结果如图8。

图8 计算值和实验值对比结果

采用平均绝对相对误差和相关系数(R2)进行精确评估[12-13]，如图9所示。图9表明，预测值和实际值之间的相关性(R2=0.987)较高，并且通过对流变应力的计算得出了平均绝对相对误差2.68%，因此本文建立的模型能够较为准确地预测流变应力。由此，证明含有Z参数的模型可以较精确地描绘42CrMo钢的高温流变行为。

图9 计算流变应力和实验流变应力的相关性

2.3 热加工图构建

热加工图能够详细表达出不同热变形条件下材料的塑性变形能力，包括变形温度、变形速度和应变量。热加工图为了解材料塑性变形的安全区和危险区提供了重要的依据，可以更好地制定相关的加工工艺和控制金属材料的显微结构。根据DMM的理论，材料被视为非线性能量耗散体，其能量耗散P分由两部分组成：一部分是内部微观组织改变所耗散的能量J；一部分是材料发生塑性变形需要的耗散能，其表达式为[14]

(15)

应变速率敏感指数m的其表达式为[15]

(16)

通过应变速率m计算获得耗散率因子η，η和应变、应力、变形温度和速率有关，其表达式为[16]

(17)

一般情况下，选择耗散率因子η值较大的区域进行加工。但实际过程中，并不是η的值越大，合金钢的热加工性能就越好。η值较大的区域中，不利于加工性能的缺陷也有存在的可能。所以，指出热加工的失稳区域(如局部流动、楔形开裂、空洞行程等)是非常有必要的，本文采用的为prasad失稳判据[17]，其表达式为

(18)

表2为42CrMo钢在真应变为0.6和0.8时的流变应力值。将其带入式(15)、式(16)、式(17)中，绘制42CrMo钢的热加工图，如图10所示。图中阴影的部分代表着热压缩过程中，42CrMo钢可能会出现流动失稳的区域。从图中可以看出，在整个变形的过程中，流变失稳的区域并不是确定的，它会伴随着变形程度的改变而发生变化[18]。应变为0.6时，失稳区范围是1 123～1 140 K、0.8～10 s-1，应变为0.8时，失稳区范围是1 123～1 160 K、0.4～10 s-1。η随温度的升高而上升，随应变速率的增加而降低；不同之处在于，0.8应变的功率耗散因子相较于0.6应变增加的更加均匀。

图10 42CrMo钢在不同应变下的热加工图

表2 不同实验参数的流变应力值

图中高耗散值集中在右下角位置，应变温度为1 140～1 223 K，速率为0.1～1.5 s-1，η的范围是0.27～0.30，动态回复和再结晶易发生[19]，材料的热加工性能相对来说更好；图中的失稳区集中在左上区域，即低温高应变区，在这个区域内对材料进行加工，容易产生剪切等现象，材料性能不稳定。

3 结论

(1)从42CrMo钢的真应力-应变曲线可以得出：动态再结晶一般发生在高温低应变情况下；动态回复一般发生在低温高应变情况下。

(2)建立了42CrMo钢的本构方程，并对不同应变条件下的α、n、Q和A进行多项式拟合，获得带有参数ε的α(ε)、n(ε)、Q(ε)和A(ε)，结果表明流变应力有着较高的预测精度。

(3)建立了中碳钢42CrMo在应变温度为1 123～1 223 K，应变速率为0.1～10 s-1下的热加工图，得到中碳钢42CrMo的最佳工艺参数范围：加工温度适宜控制在1 140～1 223 K范围内，应变速率宜控制在0.1～1.5 s-1范围内。