周秋月,吳曉東,梁鈺,謝堅(jiān)鋒,吳順,鄒磊

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鎮(zhèn)江２１２０１３)

摘　要:采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)６０Si２CrVAT 高強(qiáng)度彈簧鋼在不同溫度(９００,９５０,１０５０,１１５０℃)和應(yīng)變速率下(０．１,１,５,１０s－１)進(jìn)行熱壓縮變形,研究了變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)該鋼熱變形行為的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上,根據(jù)Arrhenius雙曲正弦方程,建立了該鋼的熱壓縮變形本構(gòu)方程.結(jié)果表明:該鋼的流變應(yīng)力隨著變形速率的增大而增大,隨變形溫度的升高而減小,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在高變形溫度和低應(yīng)變速率下更容易發(fā)生;真應(yīng)變?yōu)椋埃矔r(shí)的變形激活能為３７２kJ??mol－１,流變應(yīng)力的計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的平均相對(duì)誤差為４．８９％,吻合得較好.

關(guān)鍵詞:彈簧鋼;熱壓縮變形;流變應(yīng)力;本構(gòu)方程

中圖分類號(hào):TG３３５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０４Ｇ００２９Ｇ０４

HotＧCompressionDeformationConstitutiveEquationof６０Si２CrVAT

HighＧStrengthSpringSteel

ZHOUQiuＧyue,WUXiaoＧdong,LIANGYu,XIEJianＧfeng,WUShun,ZOULei

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang２１２０１３,China)

Abstract:Thehotcompressiondeformationof６０Si２CrVAThighＧstrengthspringsteelwascarriedouton

thermoＧsimulationmachineatdifferenttemperatures(９００,９５０,１０５０,１１５０℃)andstrainratesof０．１－１０s－１,theinfluencesofdeformationtemperatureandstrainrateonhotdeformationbehaviorofthesteelwereinvestigated．ThehotＧcompressiondeformationconstitutiveequationof６０Si２CrVATspringsteelwasestablishedbasedonhyperbolic

sineequationsofArrheniustype．Theresultsshowthattheflowstressofthespringsteelincreasedwiththeincrease

ofdeformationrateanddecreased withtheincreaseofdeformationtemperature,it wasfoundthatdynamic

recrystallizationwasmorelikelytooccurathighdeformationtemperatureandlowstrainrate．Andtheactivation

energywascalculatedtobe３７２kJ??mol－１ whentruestrainwas０．２,thecalculatedflowstresswellagreedwiththe

experimentalresultsandtheaveragerelativeerrorbetweenthem was４．８９％．

Keywords:springsteel;hotcompressiondeformation;flowstress;constitutiveequation

０　引　言

６０Si２CrVAT高強(qiáng)度彈簧鋼具有良好的綜合性能,主要用于制造高載荷、耐沖擊彈簧,如鐵路貨車轉(zhuǎn)向架旁承彈簧和汽車懸架彈簧等.隨著我國鐵路列車的提速,為了保證貨車的穩(wěn)定與安全,對(duì)彈簧鋼的性能要求也隨之提高,主要表現(xiàn)在需要其具備較高的力學(xué)性能、抗彈減性能、疲勞性能以及物理化學(xué)性能等[１].本構(gòu)關(guān)系可以表征材料的流變應(yīng)力與變

形溫度、應(yīng)變速率以及真應(yīng)變等參數(shù)之間的關(guān)系,因而是金屬塑性加工領(lǐng)域有限元數(shù)值模擬技術(shù)的前提條件,也是金屬塑性加工工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[２].據(jù)所查資料顯示,前人對(duì)６０Si２CrVAT 彈簧鋼流變應(yīng)力的研究甚少,因此作者采用GleebleＧ３８００型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)該鋼在不同條件下進(jìn)行熱壓縮變形,研究了變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)其流變應(yīng)力的影響,并建立了該鋼的本構(gòu)方程,為科學(xué)合理地制定該鋼的軋制工藝提供參考[３－４].

１　試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用６０Si２CrVAT 彈簧鋼預(yù)鍛毛坯由淮鋼提供,其化學(xué)成分如表１所示,在其上加工出尺寸為?８mm×１２mm 的壓縮試樣.

在GleebleＧ３８００型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上將試樣以１０℃??s－１的加熱速率從室溫加熱到１２００ ℃,保溫３min后再以１０ ℃??s－１ 的冷卻速率分別冷卻至１１５０,１０５０,９５０,９００ ℃,保溫３０s;然后再以不同的應(yīng)變速率(０．１,１,５,１０s－１)進(jìn)行單道次壓縮變形,變形量為５６％,壓縮變形完成后迅速進(jìn)行水淬.

２　試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１　真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線

由圖１可以看出,在相同的應(yīng)變速率下,變形溫度越高,應(yīng)力值越低.這是因?yàn)殡S著變形溫度升高,

原子運(yùn)動(dòng)加劇,動(dòng)能增大,原子之間的結(jié)合力減弱,流變應(yīng)力降低.在應(yīng)變速率為０．１s－１和１s－１、變形溫度為１０５０ ℃和１１５０ ℃時(shí),流變應(yīng)力首先隨真應(yīng)變的增加而迅速上升,達(dá)到峰值后逐漸下降,之后隨著變形的進(jìn)行,加工硬化加劇,動(dòng)態(tài)回復(fù)和軟化比較困難,流變應(yīng)力繼續(xù)上升,真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型.在應(yīng)變速率為５s－１和１０s－１時(shí),真應(yīng)力先隨應(yīng)變的增加而迅速增大,超過一定應(yīng)變量后,真應(yīng)力基本保持在一個(gè)定值,即呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)的流變特征,真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線為動(dòng)態(tài)回復(fù)型.這是由于軟化需要一個(gè)時(shí)間過程,當(dāng)應(yīng)變速率較大時(shí),位錯(cuò)增殖速度加快,出現(xiàn)位錯(cuò)纏結(jié),阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),晶粒沒有足夠的時(shí)間長大;當(dāng)應(yīng)變速率較小時(shí),晶粒有足夠的時(shí)間形核長大,即容易發(fā)生動(dòng)再結(jié)晶.由圖１(a)和(b)可以看出,在較高的變形溫度(１０５０,１１５０ ℃)下,真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線的峰比較明顯,這是由于溫度越高,晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力就越大,越容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.

由圖１還可以看出,在低的應(yīng)變速率(０．１s－１)下,真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線在出現(xiàn)一個(gè)峰值后出現(xiàn)了非常明顯的動(dòng)態(tài)軟化,而在較高的應(yīng)變速率(５,１０s－１)下,流變應(yīng)力先上升,到達(dá)一定值后呈相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài). 這是由于應(yīng)變速率較大,再結(jié)晶所需驅(qū)動(dòng)力增加,而累積的位錯(cuò)能較低,未達(dá)到動(dòng)再結(jié)晶發(fā)生的條件,此時(shí)主要的軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)回復(fù),當(dāng)加工硬化與動(dòng)態(tài)回復(fù)達(dá)到平衡時(shí),流變應(yīng)力趨向一個(gè)穩(wěn)定值.

２．２　本構(gòu)方程的建立

在高溫塑性變形條件下,流變應(yīng)力、應(yīng)變速率以及變形溫度這些變形參數(shù)之間的關(guān)系可用Sellars和Tegart通過試驗(yàn)研究提出的Arrhenius方程表示[５－８]:

式中:A ,n１,α 和β 為常數(shù);ε?? 為應(yīng)變速率;R 為氣體常數(shù);T 為熱力學(xué)溫度;Q 為變形激活能;σ 為真應(yīng)力;α＝β/n１.

從式(４)所示的Arrhenius型雙曲正弦方程可以看出,只要確定了不同應(yīng)變下參數(shù)Q,A ,n 和α 的值,就可以確定材料在任意變形條件下的流變應(yīng)力.由圖１可以看出,６０Si２CrVAT彈簧鋼的流變應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增加是變化的,因而Q,A ,n,α 等參數(shù)應(yīng)該是真應(yīng)變的函數(shù),因此在求流變應(yīng)力σ 時(shí),應(yīng)先確定出不同真應(yīng)變下Q,A ,n,α 的值.現(xiàn)以ε＝０．２為例來說明求解過程,其余每隔０．０２取點(diǎn)計(jì)算. 材料在高溫塑性變形時(shí),應(yīng)變速率受熱激活過程的控制,應(yīng)變速率與溫度之間的關(guān)系可用溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子ZenerＧHollomon參數(shù)(Z 參數(shù))表示[９]:

式中:B 和B′為與溫度無關(guān)的常數(shù).對(duì)式(６)和式(７)兩邊取對(duì)數(shù),可知lnε??Ｇσ 和lnε??Ｇlnσ 都呈線性關(guān)系,帶入試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖,結(jié)果如圖２,３ 所示,進(jìn)行線性擬合得出斜率,并求平均值,得n１ ＝８．２５１,β＝０．０５３６,由此對(duì)應(yīng)的α＝０．００６５.將計(jì)算所得的α 帶入式(８),并對(duì)式(８)取對(duì)數(shù),得:

真應(yīng)變?yōu)椋埃矔r(shí),不同變形溫度和應(yīng)變速率下的ln[sinh(ασ)]Ｇlnε?? 關(guān)系如圖４所示,進(jìn)行線性擬合后可得斜率的平均值,即n＝６．０６４３.對(duì)圖５所示的ln[sinh(ασ)]Ｇ１/T 關(guān) 系 曲 線 進(jìn) 行 線 性 擬 合,

圖５ ln[sinh(ασ)與１/T 的關(guān)系曲線

Fig．５ Relationcurvesof１/Tandln[sinh(ασ)]

計(jì)算得到斜 率 的 平 均 值 為 ７．３９０.由 上 述 參 數(shù) 可計(jì)算得到變形激活能 Q 為３７２kJ??mol－１.由圖４

可得截距為,進(jìn)而求得A＝５．５１×１０１４.

的熱壓縮變形本構(gòu)方程為:

按照上述的計(jì)算過程,每隔０．０２取點(diǎn),可以求出不同真應(yīng)變下Q,α,n,A 等參數(shù)的值,采用多元線性回歸可以確定這些參數(shù)與真應(yīng)變之間的關(guān)系,見式(１１)~(１４).

將計(jì)算所得的σ,n,Q,A 等參數(shù)與真應(yīng)變的關(guān)系式代入式(８)中,便可得到６０Si２CrVAT 彈簧鋼在變形溫度為(９００~１１５０ ℃)、變形速率為(０．１~０s－１)下的壓縮變形本構(gòu)方程.

２．３　本構(gòu)方程的誤差

從圖６可以看出,６０Si２CrVAT 彈簧鋼在不同壓縮變形條件下流變應(yīng)力的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合得較好,它們之間的平均相對(duì)誤差為４．８９％.由此說明建立的本構(gòu)方程能夠較精確地預(yù)測６０Si２CrVAT彈簧鋼的流變應(yīng)力,可為制定合理的軋制工藝提供理論依據(jù)[７,１０].

結(jié)　論

(１)６０Si２CrVAT彈簧鋼的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增大,隨變形溫度的升高而減小;在低應(yīng)變速率時(shí),真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型;在高應(yīng)變速率時(shí),真應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線為動(dòng)態(tài)回復(fù)型.

(２)在Arrhenius方程的基礎(chǔ)上,建立了雙曲正弦方程中Q,A ,n,α 等參數(shù)與真應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系式,從而構(gòu)建出了包含變形溫度、應(yīng)變速率在內(nèi)的雙曲正弦方程形式的６０Si２CrVAT 彈簧鋼熱壓縮變形本構(gòu)方程.

(文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料)