周秋月,吳曉東,梁鈺,謝堅鋒,吳順,鄒磊

(江蘇大學材料科學與工程學院,鎮江２１２０１３)

摘　要:采用熱模擬試驗機對６０Si２CrVAT 高強度彈簧鋼在不同溫度(９００,９５０,１０５０,１１５０℃)和應變速率下(０．１,１,５,１０s－１)進行熱壓縮變形,研究了變形溫度和應變速率對該鋼熱變形行為的影響規律;在此基礎上,根據Arrhenius雙曲正弦方程,建立了該鋼的熱壓縮變形本構方程.結果表明:該鋼的流變應力隨著變形速率的增大而增大,隨變形溫度的升高而減小,動態再結晶在高變形溫度和低應變速率下更容易發生;真應變為０．２時的變形激活能為３７２kJ??mol－１,流變應力的計算值與試驗值之間的平均相對誤差為４．８９％,吻合得較好.

關鍵詞:彈簧鋼;熱壓縮變形;流變應力;本構方程

中圖分類號:TG３３５ 文獻標志碼:A 文章編號: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,為了保證貨車的穩定與安全,對彈簧鋼的性能要求也隨之提高,主要表現在需要其具備較高的力學性能、抗彈減性能、疲勞性能以及物理化學性能等[１].本構關系可以表征材料的流變應力與變

形溫度、應變速率以及真應變等參數之間的關系,因而是金屬塑性加工領域有限元數值模擬技術的前提條件,也是金屬塑性加工工藝設計的基礎[２].據所查資料顯示,前人對６０Si２CrVAT 彈簧鋼流變應力的研究甚少,因此作者采用GleebleＧ３８００型熱模擬試驗機對該鋼在不同條件下進行熱壓縮變形,研究了變形溫度和應變速率對其流變應力的影響,并建立了該鋼的本構方程,為科學合理地制定該鋼的軋制工藝提供參考[３－４].

１　試樣制備與試驗方法

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

在GleebleＧ３８００型熱模擬試驗機上將試樣以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;然后再以不同的應變速率(０．１,１,５,１０s－１)進行單道次壓縮變形,變形量為５６％,壓縮變形完成后迅速進行水淬.

２　試驗結果與討論

２．１　真應力Ｇ真應變曲線

由圖１可以看出,在相同的應變速率下,變形溫度越高,應力值越低.這是因為隨著變形溫度升高,

原子運動加劇,動能增大,原子之間的結合力減弱,流變應力降低.在應變速率為０．１s－１和１s－１、變形溫度為１０５０ ℃和１１５０ ℃時,流變應力首先隨真應變的增加而迅速上升,達到峰值后逐漸下降,之后隨著變形的進行,加工硬化加劇,動態回復和軟化比較困難,流變應力繼續上升,真應力Ｇ真應變曲線為動態再結晶型.在應變速率為５s－１和１０s－１時,真應力先隨應變的增加而迅速增大,超過一定應變量后,真應力基本保持在一個定值,即呈現出穩態的流變特征,真應力Ｇ真應變曲線為動態回復型.這是由于軟化需要一個時間過程,當應變速率較大時,位錯增殖速度加快,出現位錯纏結,阻礙了位錯運動,晶粒沒有足夠的時間長大;當應變速率較小時,晶粒有足夠的時間形核長大,即容易發生動再結晶.由圖１(a)和(b)可以看出,在較高的變形溫度(１０５０,１１５０ ℃)下,真應力Ｇ真應變曲線的峰比較明顯,這是由于溫度越高,晶粒長大的驅動力就越大,越容易發生動態再結晶.

由圖１還可以看出,在低的應變速率(０．１s－１)下,真應力Ｇ真應變曲線在出現一個峰值后出現了非常明顯的動態軟化,而在較高的應變速率(５,１０s－１)下,流變應力先上升,到達一定值后呈相對穩定的狀態. 這是由于應變速率較大,再結晶所需驅動力增加,而累積的位錯能較低,未達到動再結晶發生的條件,此時主要的軟化機制為動態回復,當加工硬化與動態回復達到平衡時,流變應力趨向一個穩定值.

２．２　本構方程的建立

在高溫塑性變形條件下,流變應力、應變速率以及變形溫度這些變形參數之間的關系可用Sellars和Tegart通過試驗研究提出的Arrhenius方程表示[５－８]:

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

從式(４)所示的Arrhenius型雙曲正弦方程可以看出,只要確定了不同應變下參數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力.由圖１可以看出,６０Si２CrVAT彈簧鋼的流變應力隨著真應變的增加是變化的,因而Q,A ,n,α 等參數應該是真應變的函數,因此在求流變應力σ 時,應先確定出不同真應變下Q,A ,n,α 的值.現以ε＝０．２為例來說明求解過程,其余每隔０．０２取點計算. 材料在高溫塑性變形時,應變速率受熱激活過程的控制,應變速率與溫度之間的關系可用溫度補償的應變速率因子ZenerＧHollomon參數(Z 參數)表示[９]:

式中:B 和B′為與溫度無關的常數.對式(６)和式(７)兩邊取對數,可知lnε??Ｇσ 和lnε??Ｇlnσ 都呈線性關系,帶入試驗數據作圖,結果如圖２,３ 所示,進行線性擬合得出斜率,并求平均值,得n１ ＝８．２５１,β＝０．０５３６,由此對應的α＝０．００６５.將計算所得的α 帶入式(８),并對式(８)取對數,得:

真應變為０．２時,不同變形溫度和應變速率下的ln[sinh(ασ)]Ｇlnε?? 關系如圖４所示,進行線性擬合后可得斜率的平均值,即n＝６．０６４３.對圖５所示的ln[sinh(ασ)]Ｇ１/T 關 系 曲 線 進 行 線 性 擬 合,

圖５ ln[sinh(ασ)與１/T 的關系曲線

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

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

可得截距為,進而求得A＝５．５１×１０１４.

的熱壓縮變形本構方程為:

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

將計算所得的σ,n,Q,A 等參數與真應變的關系式代入式(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)下的壓縮變形本構方程.

２．３　本構方程的誤差

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

結　論

(１)６０Si２CrVAT彈簧鋼的流變應力隨應變速率的增大而增大,隨變形溫度的升高而減小;在低應變速率時,真應力Ｇ真應變曲線為動態再結晶型;在高應變速率時,真應力Ｇ應變曲線為動態回復型.

(２)在Arrhenius方程的基礎上,建立了雙曲正弦方程中Q,A ,n,α 等參數與真應變的函數關系式,從而構建出了包含變形溫度、應變速率在內的雙曲正弦方程形式的６０Si２CrVAT 彈簧鋼熱壓縮變形本構方程.

(文章來源：材料與測試網-機械工程材料)