王 鑫 董洪波 邹忠波 王明主
（南昌航空大学航空制造工程学院）
摘要采用Gleeble-3500热模拟试验机对超高强度钢AerMetl00进行热压缩试验，研究其在变形温度为850～1150℃和应变速率为0. 01～10 s-1条件下的动态再结晶行为。结果表明，通过分析应力一应变曲线的特征及金相观察，可知Aer-Metl00钢在不同变形条件下呈现出加工硬化、动态回复及动态再结晶特征，且变形温度的升高与应变速率的降低均有利于发生动态再结晶。通过对热变形试验数据的分析计算，建立了高温变形本构关系，动态再结晶临界应变模型和动态再结晶体积分数模型。利用所建立模型对动态再结晶行为进行预测，得到变形温度的下降及应变速率的增加会推迟动态再结晶发生。
金属材料在热加工过程中的微观组织演变及热变形行为通常较为复杂，在高温变形过程一般会发生加工硬化、动态回复和动态再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶等行为。其中，动态再结晶对材料的晶粒细化及降低流变应力的作用最显著。因此，了解热变形过程中动态再结晶行为与变形参数之间的规律对优化金属热加工工艺、细化晶粒、提高材料力学性能具有重要的意义。
AerMetl00钢是一种新型高Co高Ni二次硬化超高强度钢，具有抗拉强度和疲劳强度、韧性和抗应力腐蚀、抗疲劳裂纹断裂的最佳配合，广泛用于航空、航天领域。目前，二次硬化超高强度钢主要通过严格控制熔炼过程及优化固溶时效处理来提高材料的强韧性能。国内外学者对AerMetl00钢的冶炼技术、回火时效工艺及强韧化机理都进行了大量研究，但对Aer-Metl00钢在热变形方面的研究还不够深入，尤其描述其动态再结晶演变规律的研究还较少。因此，本课题研究了AerMetl00钢在不同变形温度及应变速率下压缩后的显微组织演变规律及动态再结晶行为，建立了AerMetl00钢的Arrhenius型本构关系及动态再结晶相关模型，为AerMetl00钢的生产应用提供参考。
1 试验材料及方法
试验材料为AerMetl00钢，其成分见表1，其初始晶粒形貌见图1。利用Gleeble-3500热模拟试验机进行等温压缩试验。其热压缩变形工艺流程见图2，首先，将试样以20 ℃／s的速率加热至1 200℃并进行300 s均匀化处理，然后以同样的速率降至变形温度并保温30 s使试样各区域温度一致，在变形温度为850～1 150℃和应变速率为0. 01～10 s-i的条件下进行60%的压缩变形，试样变形结束后迅速油淬以保留高温组织。将热变形后的试样沿轴向切开，打磨抛光后采用饱和苦味酸溶液清洗，并于60℃水浴5～6 min，得到初始奥氏体组织。在XJP-6A型金相显微镜上观察显微组织并测定奥氏体晶粒的平均尺寸。
2 试验结果与分析
2.1应力一应变曲线特征描述
AerMetl00钢在不同温度及应变速率下的应力一应变曲线见图3。可以看出，在变形温度一定时，流变应力随应变速率的增大而升高，在应变速率一定时，流变应力随变形温度的升高而降低。不同变形条件下的应力一应变曲线呈现出3种截然不同的特征：在变形温度为850 ℃下应变速率为0.1、1.0S-l和900℃下应变速率为0.1、1.0、10 s-1及1000 0C下应变速率1、10 s-1的条件下，随应变的增加应力持续增大，曲线呈现明显的加工硬化特征；在变形温度为850、1 100、1 150。C应变速率为10 S-l的条件下，出现应力不随应变而增高的稳定状态，即加工硬化与动态软化作用接近平衡，曲线呈现动态回复特征；在变形温度为850、900℃下应变速率为0. 01 S-l和温度为1 000℃应变速率为0. 01 S-I及温度为1 100、1 150℃应变速率为0.01、0.1、1 S-l的条件下，随变形程度的增加应力先达到峰值后由于动态再结晶软化作用逐步降至某一稳定值，曲线呈现出典型的动态再结晶特征。
2.2 显微组织变化规律
当应变速率为0.1 S-l时，AerMetl00钢在各变形温度下压缩60%后的晶粒组织见图4。可以看出，850 ℃时晶粒沿垂直压缩方向被拉长，呈现加工硬化特征，见图4a。在900、1 000℃时晶粒呈等轴且大小不一，呈现动态回复，见图4b。1 000、1 100和1 150℃时晶粒均呈现动态再结晶特征，随变形温度的升高，晶粒趋于等轴状，其平均晶粒尺寸分别为53. 57、53. 78 μm。说明在同一应变速率下压缩相同变形量，随变形温度的升高，发生动态再结晶，晶粒尺寸不断增大。
当变形温度为1 000 ℃时，AerMetl00钢在各应变速率下压缩60%后的晶粒组织见图5。应变速率为0. 01 S-1时的变形组织由未充分长大的动态再结晶晶粒组成，晶界呈不规则锯齿状，见图5a。这是由于应变速率较小，首先在动态回复阶段通过位错胞的胞壁平直化形成了大量亚晶，亚晶有充分时间通过合并机制形成再结晶核心。但由于变形温度较低，晶界迁移缓慢，相邻的再结晶晶粒仅相互合并未充分长大。应变速率为0.1、1.0和10 s-1时晶粒呈现动态回复特征，其平均晶粒尺寸分别为53. 57、30. 87、20. 55 μm。说明在同一温度下压缩相同变形量，随着应变速率的增大，晶粒尺寸不断减小。
3 模型建立与分析
3.1 高温变形本构关系
金属材料热变形是一个受热激活能控制的过程，其热变形过程中的流动应力 σ与变形温度T、应变速率ε之间的关系可用Arrhenius双曲余弦方程来表示：
式中，Q为变形激活能，kJ．mol-l；R为气体常数。在低应力水平下(aσ<0.8)，可采用式(1)；在高应力水平下(aσ>l.2)，可采用式(2)；在整个应力水平下，可采用式(3)。分别对式(1)、式(2)和式(3)两边取对数后，并进行线性拟合可得n1=ainε／alnσ。=9.225 78，β一ainε／aσp=0.047 85；其中应力水平常数a=β/n1一0. 005 186。在整个应力水平下，当应变速率e-定时，Insinh（aσp）与1/T成线性关系(见图6a)，可求得变形激活能Q= 402. 508 kj/mol;当温度T-定时，Ine与Insinh（aσp）的线性关系见图6b，可得n=6.809 1。
材料在热变形过程中应变速率及变形温度对流动应力及动态再结晶的影响可由Zener等提出的Z参数表示：
将式(3)代入式(4)后两边取对数并进行线性拟合，可得n=6.703 4,A=4. 0285×1015。
将所求得的Q、n、A和a的值带入式(3)，可以得到AreMetl00钢热变形过程中的Arrhenius型本构关系：
为验证该本构方程的精度，将本构方程采用包含Arrhenius项的Z参数描述：
将式(6)与式(3)拟合出n值相比较，误差为1.5%，表明AerMetl00钢的高温变形时的流动应力变化规律符合Z参数描述。
将不同变形条件代人式(6)得到相应峰值应力，与修正后的试验值相比较，结果见图7。根据此本构模型算出的峰值应力与实测值的平均相对误差为3. 82%，说明该模型具有较高的精度。
3.2动态再结晶动力学模型
3. 2.1 动态再结晶临界应变模型
确定动态再结晶开始发生的临界应变 εc是讨论动态再结晶行为的前提。利用加工硬化率θ-σ曲线上的拐点来识别动态再结晶的临界值εc。并代入动态再结晶的临界应变Sellars模型,即：
式中，A1、n均为与材料特性相关系数。对式(8)两边取对数，再经线性回归，得出相关系数Ai=0.043 2，n=0. 054 9。取εc／εp的平均值得p=0. 461。
3.2.2动态再结晶体积分数模型
变形组织在一定变形量下所发生动态再结晶的程度可由动态再结晶体积分数模型来描述，此模型通常可表示为：
式中，pd与kd均为与材料有关的系数。
由于动态再结晶会大幅降低位错密度，进而影响材料热变形过程中的流变应力，因此可通过应力一应变曲线的特征应力值来确定动态再结晶的体积分数。
式中，σsat和盯σss是动态回复及动态再结晶过程中的稳态应力；σrec是动态回复时的流变应力，见图8。其中动态回复曲线可由e≤e。阶段的应力一应变曲线进行非线性拟合并外插值得到。
对式(9)两边取对数并进行线性回归，得到不同变形条件下In[ -ln（1-Xd）]与In[( ε-εc)／εp]的线性关系。计算得到各系数值并代人式(9)可得AerMetl00钢的动态再结晶体积分数模型为：
对动态再结晶体积分数模型的准确性进行验证，将试验测得不同变形条件下的动态再结晶体积分数实测值与模型计算值进行比较，结果见图9。可得计算值与实测值的相对误差为7. 84%，说明此模型对Aer-Metl00钢的动态再结晶过程的描述较为精确。
3.3 变形条件对动态再结晶的影响
根据AerMetl00钢的动态再结晶动力学模型，得到不同变形温度、应变速率下动态再结晶的体积分数与应变量的关系见图10。通过比较可知，随变形温度的下降及应变速率的增加，得到相同体积分数所对应的应变均逐渐增大，说明动态再结晶行为被推迟了。同时在变形温度低于1 000 ℃及应变速率高于1 S-1的条件下，动态再结晶体积分数均小于1，说明此条件下将不发生或只发生部分的动态再结晶，与试验所得结果一致。这是由于，动态再结晶是一个热激活过程，变形过程中位错大量增殖。随着温度降低，位错移动减缓，位错胞难以在短时间内通过胞壁平直化形成亚晶，从而抑制动态再结晶的形核；另外，随着应变速率提高，达到相同变形量所需的时间缩短，虽然位错在短时间内大量增殖能够提高动态再结晶驱动力，但是，应变能的释放与位错的回复需要一定时间，降低亚晶形核速率。因此，通过改变热变形条件可以精确控制动态再结晶过程，从而达到细化晶粒组织，改善材料性能的目的。
4结 论
(1) AerMetl00钢在不同变形条件下的应力一应变曲线呈现出加工硬化、动态回复、动态再结晶3种不同的特征。通过比较发现在高温低应变速率下动态再结晶更易发生。
(2)热变形过程中，不同变形条件下的晶粒形貌有显著差异，动态再结晶的发生可使奥氏体晶粒明显细化。晶粒尺寸随着变形温度的降低，应变速率的增大而逐渐减小。
(3)对热模拟试验数据进行分析计算，得出了Aer-Metl00钢在850～1 150 ℃的变形激活能为402. 508kj/mol;建立了AerMetl00钢的高温变形本构关系，动态再结晶临界应变模型及动态再结晶体积分数模型。
(4)通过对动态再结晶动力学模型进行分析，验证并解释了变形温度的下降及应变速率的增加会阻碍动态再结晶的形成。
