对不同钢压缩真应力应变曲线的影响

第３１卷第４期２００７年４月

机械工程材料

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

ｆｏｒ

Ｖ０１．３１Ｎｏ．４

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ａｐｒ．２００７

应变速率对不同钢压缩真应力一应变曲线的影响

张红英，张鸿冰。陈浩时

（上海应用技术学院材料工程系，上海２００２３５）

摘要：用Ｇ１ｅｅｂｌｅ１５００型热／力学模拟实验机对２０Ｃｒ、４０Ｃｒ和４５钢进行了变形温度为１０５０

℃，应变速率为１，５，１０ｓ～，变形量为ｏ．７～ｏ．９的热模拟单向压缩试验，分析了钢热变形过程中的真应力一应变曲线。结果表明：试验钢在应变速率为１，５ｓ１的变形过程中，均发生了动态再结晶；

动态再结晶阶段具有反复动态再结晶一变形一动态再结晶即交变出现软化一硬化一软化的现象；

应变速率为ｌｏｓ叫时，４５钢发生了动态再结晶，动态再结晶阶段也具有交变软化一硬化一软化的现象，而２０Ｃｒ和４０Ｃｒ钢处于动态回复阶段。

关键词：热变形；动态回复；动态再结晶；真应力～应变曲线

中图分类号：ＴＧｌｌ３．１

文献标识码：Ａ

ｏｎ

文章编号：ｌ０００—３７３８（２００７）０４一００９２一０３

Ｅ朋ｅｃｔｏｆＳｔｒａｉｎＲａｔｅ

ＣｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅＴｒｕｅＳｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎＣｕｒｖｅｓｏｆＳｔｅｅＩｓ

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（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＧ１ｅｅｂｌｅ＿１５００ｈｅａｔ／ｍｅｃｈａｎｉｃｓｍｏｕｌｄｉｎｇｅｘｐｅ—ｍｅｎｔａｌ

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ｃｕｒｖｅ

Ｏ引言

研究的文献较少，所以作者通过分析这三种钢在变形温度为１０５０℃，应变速率为１，５，１０ｓ～，变形量为ｏ．７～ｏ．９的热模拟单向压缩试验中的真应力（Ｓ）一应变（ｅ）曲线，研究高温变形条件下钢的流变曲线变化规律，为合理制定热加工轧制工艺，有效控制产品的组织性能，提高产品质量提供依据。

金属热变形常指在其再结晶温度以上时的变形［１］。在热塑性变形过程中，钢的流变应力变化有两种趋势，即加工硬化和组织软化。钢的组织软化也有两种机制，一是动态回复，二是动态再结晶［１］。动态回复过程中，加工硬化将逐渐低于线性增长规律［２］。对于钢铁材料而言，热变形中动态回复不大显著，当变形量大到某一临界值时使动态再结晶驱动力达到足够大，动态再结晶就会发生［３］。在高应变速率下，应力随应变不断增大，直至峰值后又随应变下降，最后达到稳定态；在低应变速率下，与其对应的稳态阶段的曲线呈波浪形变化，这是由于反复出现动态再结晶一变形一动态再结晶，即交变出现软化一硬化一软化而造成的［１］。目前，有关２０Ｃｒ、４０Ｃｒ、４５三种钢相同条件下真应力一应变曲线对比

１试样制备与试验方法

试验钢为热轧态２０Ｃｒ、４０Ｃｒ和４５钢，碳含量分别为ｏ．】７％～ｏ．２４％，ｏ．３７％～ｏ．４５％和ｏ．４２％～ｏ．５０％，２０Ｃｒ、４０Ｃｒ钢中铬含量分别为ｏ．７０％～１．ｏｏ％，ｏ．８０％～１．１０％。试样尺寸为ｊ５

１０ｍｍ×１５

ｍｍ。用Ｇｌｅｅｂｌｅ１５００型热／力学模拟实验机进行单向压缩试验。热变形参数：变形温度１０５０℃，应变速率ｌ，５，ｌｏｓ一，变形量ｏ．７～ｏ．９。热变形工艺：将试样以２０℃／ｓ的加热速率升温到１２００℃，保温５ｒｎｊｎ后以１０℃／ｓ的速率降到变形温度，保温１

ｒｎｉｎ，

收稿日期：２００６一０３＿０６；修订日期：２００６∞６—１２

作者简介：张红英（１９６３一），女，江苏太仓人，讲师，硕士研究生。

・９２・

在设定的变形条件下对试样进行压缩变形，之后水淬。

张红英，等：应变速率对不同钢压缩真应力一应变曲线的影响

２试验结果与分析

２．１应变速率为１ｓ＿１时的真应力一应变曲线

由图１可见，三种钢的流变曲线都出现了波峰，且呈波浪形。奥氏体动态再结晶开始点与真应力一应变曲线峰值应变有一定的对应关系：临界应变量￡ｃ为峰值应变印的ｏ．９５倍［３］。这说明三种钢都已进入到动态再结晶稳态阶段，且动态再结晶稳态阶

值应力Ｓ。，这表明流变曲线的第二个应力峰将高于第一个，第二次动态再结晶难于第一次。２．２应变速率为５ｓ＿１时的真应力一应变曲线

由图２可见，三种钢的流变曲线都出现了波峰，

呈波浪形，表明三种钢都进入了动态再结晶稳态阶

段，动态再结晶稳态阶段表现为交变出现软化一硬化

一软化。流变曲线上相应的一些特征数据见表２。

段具有动态再结晶软化一变形硬化一动态再结晶软化的现象。流变曲线上对应的峰值应力Ｓ。、峰值应

变绵、谷值应力ＳＩ、谷值应变ｅｒ以及应变量为ｏ．９时对应的应力Ｓ：等特征数据见表１。

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图２试验钢应变速率为５ｓ－１时的ｓＰ曲线

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表２应变速率为５ｓ－１时试验钢流变曲线的特征参数值

真应变

图ｌ试验钢在应变速率为ｌｓ一１时的￥Ｐ曲线

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表１应变速率为１ｓ－１时试验钢流变曲线的特征参数值

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ｐａｒａｍ曲ｅ璐ｏｆ导Ｐ伽艄ａｔｓｔｒａｉｎ礴ｔｅｌ

ｓ一１

由表２可见，在应变速率为５ｓ－１时，钢中碳含量越大，流变曲线中Ｐ。越大，动态再结晶越困难。比较钢在应变速率为１，５ｓ＿１时的ｅ。可见，随着应变速率增加，％也增加，钢再结晶困难。

应变速率为５ｓ＿１时，三种钢的Ｓ。与Ｓｔ之差分

文献［４］介绍，钢中杂质和合金元素显著推迟再结晶。由表１可见，２０Ｃｒ、４０Ｃｒ钢相比，随碳含量增

别为３，２，３ＭＰａ，最大相对软化程度分别为２．８％，１．６％，２．３％，表明钢最大软化量、最大相对软化程

多，ｅ。数值增大；而４０Ｃｒ、４５钢的邰数值相等，说明

钢中合金元素铬使ｅ。数值增大。文献［５］也介绍，如果奥氏体中固溶的元素能提高奥氏体的层错能（如在７一Ｆｅ中的镍、铬），它将提高动态再结晶的临

度与钢的成分关系不大；且随应变速率的增加，

２０Ｃｒ、４０Ｃｒ钢最大软化量、最大相对软化程度下降，钢中碳含量越低，下降程度越明显。三种钢的ｅ・与ｅ。之差分别为ｏ．２６，ｏ。２５～ｏ．３１，ｏ．２８，平均每单位应变量软化应力分别为１１．５，８～６．５，１０．７ＭＰａ，钢

界应变量。综合以上分析可见，钢中碳含量、合金元

素铬含量越多，动态再结晶需要的临界应变量越大。

三种钢的Ｓ。与Ｓ１之差分别为８，６，３ＭＰａ，最

平均软化速率与钢的成分关系不大，随应变速率增

加，２０Ｃｒ、４０Ｃｒ钢平均软化速率下降明显。

应变速率为５ｓ叫时，三种钢在应变量为ｏ．９时的应力Ｓ：也都大于曲线峰值应力Ｓ。，同样表明流

大相对软化程度（Ｓ，一Ｓ１）／Ｓ，分别为８．６％，５．７％，

２．９％，表现出钢中碳含量越大，最大软化量越少，最大相对软化程度也越小。三种钢的ｅ・与邰之差分别为：ｏ。３７，ｏ。３４，ｏ。３３，平均每单位应变量软化应力（Ｓ。一Ｓ１）／（ｅｌ一邰）分别为２１．６，１７．６，９．１ＭＰａ，表现出钢中碳含量越大，平均软化速率越小。

三种钢在应变量为ｏ．９时应力Ｓ：都大于其峰

变曲线的第二个应力峰高于第一个，第二次动态再

结晶难于第一次。

２．３应变速率为ｌＯｓ－１时的真应力一应变曲线

由图３可见，４０Ｃｒ、４５钢处在动态回复阶段，

２０Ｃｒ钢发生了动态再结晶。２０Ｃｒ钢流变曲线峰值

・

９３・

张红英，等：应变速率对不同钢压缩真应力一应变曲线的影响

应力、应变分别为１２８ＭＰａ、ｏ．４４，随着应变速率增碳含量增加而下降；在应变速率为５ｓ＿１时，以上三加，曲线峰值应变增加，２０Ｃｒ钢再结晶更加困难。个参数则与钢的成分关系不大。随应变速率的增文献［６］也显示出了与上述相似影响规律。

加，２０Ｃｒ、４０Ｃｒ钢最大软化量、最大相对软化程度、平均软化速率下降明显。

（３）动态再结晶流变曲线第二个应力峰高于第

山

吧

主

＼

一个，表明试验钢第二次动态再结晶难于第一次。

畏剑斌

参考文献

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真应变

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ｓｔａｔｅ

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图３试验钢应变速率为１０ｓ一１肘的ｓＰ曲线

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量越多，钢动态再结晶需要的临界应变量越大；随应［４］侯增寿，卢光熙．金属学原理［Ｍ］．上海：上海科学技术出版变速率增加，钢动态再结晶所需临界应变量越大。

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・９４・

应变速率对不同钢压缩真应力-应变曲线的影响

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张红英， 张鸿冰， 陈浩时， ZHANG Hong-ying， ZHANG Hong-bing， CHEN Hao-shi上海应用技术学院材料工程系,上海,200235机械工程材料

MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING2007，31(4)0次

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对于α+β及亚稳β钛合金,传统的轧制或锻造等热变形加工通常在α+β两相区和β单相区进行,在热变形过程中发生动态回复和动态再结晶.对β和α+β相区热变形组织的研究表明,变形早期动态回复形成的β亚晶界(小角度晶界),在进一步变形后变成大角度晶界.经过连续动态再结晶,晶界结构发生变化.但钛合金热变形过程中动态回复组织需要根据动态再结晶机制进行检验.

8.学位论文 刘俊生 含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金热模拟与热处理研究 2009

采用活性熔剂保护熔炼，水冷铜模激冷铸造技术制备出一种含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金铸锭。该合金铸锭经均匀化、热轧、冷轧成2.3mm的薄板材。采用Gleeble-1500热模拟实验研究了合金在380-470℃温度和10-3_10s-1应变速率范围内的热压缩变形行为，用差热分析（DSC）、硬度和电导率测试方法，室温拉伸、金相（OM）和电子显微分析方法（TEM、SEM）研究了合金在不同热处理工艺条件下的力学性能、显微组织结构及其变化规律。结果表明：

（1）合金高温压缩变形时的流变应力取决于变形温度和应变速率。流变应力先随应变速率增加迅速升高，达到应力峰值后逐渐下降，随后趋于稳态流变。流变应力随变形温度升高而降低，随变形速率的提高而增大。

（2）合金高温变形过程是一种类似于高温蠕变的热激活过程。该合金的高温变形材料常数为：应力指数n=7.16，应力水平参数α=0.013，结构因子A=4.71×1010，变形激活能Q=162.1KJ/mol。该合金热压缩变形的流变应力方程为：ε=5.952×108[sinh（0.021σ）]1/5.397 exp[-157900/RT]

（3）合金在相同的应变速率下，410℃以下主要为动态回复过程，440℃时则发生了部分动态再结晶；在相同的变形温度下，随应变速率降低动态再结晶的程度加深。合金随应变速率降低和变形温度升高，亚晶尺寸变大，合金由动态回复向动态再结晶转变，其主要软化机制是动态回复伴随动态再结晶。合金合宜的热加工温度范围为380-410℃。

（4）合金最佳单级固溶处理制度为475℃/40min，经120℃/24h时效处理后，合金的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和延伸率δ分别达到676MPa、623MPa和8.1％。

（5）合金最佳双级固溶处理制度为465℃/40min+490℃/30min，双级固溶能有效地减小合金中粗大的过剩相，使组织更均匀，增加淬火后固溶体的过饱和度，提高了合金的时效强化效果。与单级固溶相比，合金抗拉强度提高了18MPa，屈服强度提高了28 MPa，而塑性基本保持不变。

（6）合金固溶时效后的断裂属第二相引起的晶内断裂与晶界断裂的混合型断裂，双级固溶后的晶界断裂增加，断口韧窝第二相粒子减少，可以避免粗大第二相颗粒引起的晶粒过早断裂，使晶粒变形趋于均匀。

（7）双级固溶后合金合宜的单级时效工艺为120℃/24h，在此工艺条件下，合金的σb、σ0.2、δ、硬度和电导率分别为694MPa、651MPa、7.9％、199HV和24.5％IACS；合宜的双级时效工艺为120℃/8h+160℃/16h，经此双级时效后，合金的σb、σ0.2、δ、硬度和电导率分别为628MPa、571MPa、8.9％、176HV和34.5％IACS。与单级时效相比，强度和硬度有所损失，电导率提高了10％IACS，表明合金抗应力腐蚀性能有了较大改善。

（8）RRA处理过程中，回归温度和时间对合金性能影响很大。合宜的RRA处理工艺为120℃/24h预时效+180℃/30min回归+120℃/24h再时效。在此条件下，合金的σb、σ0.2、δ和电导率分别为687MPa、648MPa、7.4％和30.2％IACS。与单级时效比较，强度基本不变，而电导率和抗应力腐蚀性能提高。

（9）合金经单级时效后，晶内观察到大量弥散分布的η'相，晶界处基本为连续的平衡相；合金经双级时效后，晶内组织有所粗化，晶界上分布着断续状析出相，伴之以无沉淀析出带；合金经RRA处理后，晶内为均匀细小的η'相和少量的η平衡相，晶界处的平衡相粗化较明显，呈断续、孤立分布，无沉淀析出带较单级时效变宽，其晶内析出相与单级时效类似，晶界结构与双级时效类似。

9.期刊论文 周计明.齐乐华.陈国定.ZHOU Ji-ming.QI Le-hua.CHEN Guo-ding 热成形中金属本构关系建模方法综述 -机械科学与技术2005,24(2)

对目前文献中出现的材料热成形本构方程加以综述.分别介绍了动态回复、动态再结晶本构关系的建立方法.通过引入材料参数随应变变化的数学模型,并结合Arrhenius方程形成了能够完整描述动态回复及动态再结晶的统一本构方程.另外,对神经网络建立材料本构关系的过程作了详细介绍,并对预测结果与实验结果作了比较,结果表明,神经网络可以很好地描述材料的热变形行为.文中对不同本构方程的优缺点及适用范围进行了分析,并提出了将来本构方程的发展方向.

10.期刊论文 陈永来.李劲风.吕宏军.张宇玮.张绪虎.Chen Yonglai.Li Jinfeng.Lü Hongjun.Zhang Yuwei.ZhangXuhu 高强高韧Al-Cu-Li-Mg-Zr-Zn-Mn合金热变形行为 -宇航材料工艺2007,37(6)

在Gleeble-1500热模拟实验机上,采用高温等温压缩,应变速率为0.001～10/s,变形温度为360～520℃,对通用型铝锂合金在高温压缩变形中的流变应力行为进行了研究,分析了其高温变形的物理本质.结果表明:在等应变速率下,真应力随温度的升高而降低;在相同的变形温度下,随应变速率的增加,流变应力水平升高.在较低的变形速率及较高的变形温度条件下热变形时,通用型铝锂合金容易发生动态再结晶.而变形速率较高,变形温度较低时,通用型铝锂合金可能发生剪切变形,热变形过程中则主要发生动态回复.

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