稀有金属 2011,35(03),356-361

GH690合金热变形流变行为的研究

彭海健 李德富 郭胜利 郭青苗 胡捷 吾志岗

北京有色金属研究总院加工事业部

摘 要：

采用G leeb le-3500热模拟试验机进行高温等温压缩实验,研究了GH690合金在变形温度为950¹250℃、应变速率为0.001¹0 s-1条件下的热变形行为,采用金相显微镜对GH690合金热模拟试样的纵截面变形组织进行观察。结果表明:应变速率和变形温度对合金的流变应力与变形组织有显著影响。流变应力随变形温度的升高而降低,随着应变速率的增加而升高,说明该合金属于正应变速率敏感的材料;动态再结晶晶粒尺寸随应变速率的增加而减小,随变形温度的增大而增大。采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数能较好地描述GH690合金高温变形时的流变行为,得到峰值应力表达式,GH690合金的热变形激活能Q为370.4 k.Jmol-1。

关键词：

GH690合金;热变形;本构关系;

中图分类号： TG146.1

作者简介：彭海健(1982-),男,江西九江人,博士研究生,工程师;研究方向:有色金属材料加工;李德富(E-mail:lidf@grinm.com);

收稿日期：2010-06-25

基金：国家自然科学基金和宝山钢铁股份有限公司联合资助项目(50834008);

Hot Deformation Behavior of GH690 Alloy

Abstract：

The hot deformation behavior of GH690 alloy was studied by isothermal compression tests at 950¹250 ℃ with strain rates of 0.001¹0 s-1 on Gleeble 3500 simulated machine.Microstructures of the longitudinal sections of GH690 alloy deformed by isothermal compression were observed by using optical microscope.The results showed that the flow stress and deformed microstructure were greatly affected by strain rate and deformation temperature.The flow stress increased with the increase of strain rate and decreased with the increase of deformation temperature;it indicated that GH690 alloy was a kind of positive strain rate sensitive material.The size of dynamically recrystallized grain decreased with the increase of strain rate and increased with the increase of deformation temperature.The flow stress of GH690 alloy during high temperature deformation could be expressed by a Zener-Hollomon parameter in the hyperbolic sine function,and the regressed peak stress expression was obtained.The hot deformation activation energy of GH690 alloy during hot deformation was 370.4 kJ · mol-1.

Keyword：

GH690 alloy;hot deformation;constitutive relationship;

Received： 2010-06-25

GH690合金是一种铬含量为30%左右的镍基变形高温合金, 是在Inconel 600合金(Cr含量15.5%)的基础上增加Cr含量发展起来的, 它在各种高温水溶液中均具有优良的耐晶间腐蚀和抗应力腐蚀开裂能力 ^[1,2,3] , 非常适用于制造核工业中蒸汽发生器的传热管。 20世纪80年代末期, 法国首先采用高耐腐蚀性的690合金替代Inconel600合金作为新一代的蒸汽发生器传热管材料, 美国和日本也相继使用, 应用效果良好 ^[4] , 我国大亚湾核电站的蒸汽发生器也采用了法国提供的690合金管。

目前国内核工业中蒸汽发生器使用的传热管基本依靠进口, 随着近年来对其国产化的迫切需求, 国内进行了大量研究, 例如刘素娥等 ^[5] 研究了690合金的成分和显微组织对腐蚀行为的影响; 张松闯和朱红等 ^[6,7] 研究了冷变形、 固溶处理对Inconel 690合金力学行为与组织的影响; 王怀柳 ^[8] 研究了GH690合金热挤压工艺。 但是在GH690合金热成型加工方面的基础研究工作还不够深入。 通过参考相近的Inconel系列合金热变形行为研究 ^[9,10] , 本文试图通过在Gleeble3500热模拟试验机上进行GH690合金的高温等温压缩实验, 研究GH690合金在变形温度为950～1250 ℃、 应变速率为0.001～10 s^-1条件下的流变变形行为, 计算出Q, n, α和A等材料参数值, 建立本构关系, 从而为实际生产中制定、 优化GH690合金热加工工艺提供一定的参考依据。

1 实 验

GH690合金实验材料采用热锻直径为15 mm的棒材, 其化学成分如表1所示。 材料经1060 ℃、 保温30 min固溶处理后, 车削加工成Φ8 mm×12 mm的圆柱形试样, 其显微组织为均匀的等轴晶粒, 如图1所示。 采用Gleeble-3500热模拟试验机进行等温恒应变速率压缩实验, 压缩实验时, 在压头与试样两端接触处夹一层钽片进行润滑, 以减少摩擦对应力与变形状态的影响。 实验温度为: 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200和1250 ℃, 应变速

图1 均匀化处理后试样金相组织

Fig.1 Optical microstructure of GH690 alloy after homogenization

率为: 0.001, 0.01, 0.1, 1.0和10.0 s^-1, 真应变为0.7。 加热阶段试样的升温速率为10 ℃·s^-1, 保温时间为3 min; 压缩完成后立即水冷到室温, 以保留变形组织。 采用线切割方法将变形试样沿轴向中心剖开, 经研磨抛光后利用10 ml H₂SO₄+100 ml HCl+10 g无水CuSO₄粉末配制成的混合溶液进行腐蚀, 在Axiovert 200MAT光学金相显微镜上观察合金的金相组织。

2 结果与讨论

通过计算机采集数据, 获得GH690合金热压缩变形时的变形温度、 应变速率、 真应变和流变应力等数据, 绘制出不同条件下GH690合金的热压缩变形真应力-真应变曲线, 如图2所示。 由图可见, 总体上, GH690合金的变形抗力很大, 在变形的初始阶段受加工硬化的影响, 应力快速增长达到峰值, 而后由于动态软化作用应力-应变曲线趋于稳态流变, 这一特征与典型的动态再结晶曲线相似。 图3是GH690合金在应变速率0.01 s^-1、 950～1200 ℃的温度范围内进行等温热压缩变形(真应变0.7)后的金相组织, 也说明在该变形体条件下均已发生了完全动态再结晶。

从图2中还可发现, 当应变速率一定时, 随变形温度的升高, 合金变形所对应的流变应力值降低。 如当应变速率为10 s^-1时, 变形温度为950 ℃时应力最高可达407 MPa, 而变形温度为1200 ℃时峰值应力则降低至195 MPa。 这主要是由于温度升高, 热激活作用加强, 原子的活动能力增大, 各个滑移系被激活且临界切应力下降, 导致其变形抗力降低, 而且温度越高, 动态再结晶更容易发生 ^[11,12] 。 但另一方面, 当应变速率一定时, 随变形温度的升高, 动态再结晶晶粒尺寸逐渐增大, 如图3所示, 当应变速率为0.01 s^-1时, 变形温度为950 ℃时平均晶粒尺寸约14 μm, 而变形温度为1200 ℃时平均晶粒尺寸增大至约55 μm。

表1 GH690合金化学成分(%, 质量分数)

Table 1 Chemical composition of GH690 alloy(%, mass fraction)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Fe	Al	Ti	Ni
0.0380	0.3600	0.3000	0.0017	0.0021	28.7200	10.0500	0.3300	0.2900	Bal.

此外, 当变形温度一定时, 随应变速率提高, 合金变形所对应的流变应力值增加, 例如在变形温度为950 ℃时, 应变速率10 s^-1时的流变应力比应变速率0.001 s^-1时的流变应力大280 MPa(如图2所示); 而当变形温度一定时, 随应变速率提高, 动态再结晶晶粒尺寸则趋于减小, 如图4所示, 在变形温度为1200 ℃时、 应变速率0.001 s^-1时的平均晶粒尺寸约95 μm, 而 ˙ε=10s-1 时的平均晶粒尺寸减小至约30 μm。 这是由于随着应变速率的增加, 流变应力增大, 压缩试样内部的位错密度增加,产生大量的高密度位错区, 更有利于动态再结晶形核, 使单位面积上动态再结晶形核数量增多, 因而有利于细化动态再结晶晶粒。

图4 GH690合金在1200℃、真应变为0.7时不同应变速率条件下的显微组织Fig.4 Effect of strain rate on microstructures of GH690 alloy deformed to a nominal strain of 0.7 at temperatures of 1200℃

GH690合金动态再结晶晶粒尺寸随应变速率的增加而减小, 随变形温度的增大而增大。 为实现晶粒细化, 需要提高应变速率和降低变形温度, 但这两种方式都会引起变形抗力的增加, 提高了对设备性能的要求。 因此, 需要建立起热变形峰值应力与热变形条件(T, ˙ε )的关系式, 这将有助于在实际生产中, 根据设备的能力选择合适的变形温度和应变速率。

3 GH690合金热变形过程本构关系的建立

在金属材料的热变形过程中, 流变应力σ_s主要取决于变形温度和应变速率。 σ_s, T和 ˙ε 这三者的关系可用Sellars和Tegart提出的Arrhenius双曲函数模型描述 ^[13,14,15] 。

˙ε=A[sinh(ασ)]nexp(-Q/RΤ)???(1)

研究表明 ^[16] , 在低应力水平下(ασ<<1), ασ值较小, 流变应力和应变速率的关系接近指数关系, 如公式(2)所示; 在高应力水平下, 流变应力和应变速率的关系接近幂指数关系, 如公式(3)所示。

˙ε=A1σn1???(2)˙ε=A2exp(βσ)???(3)

在上述公式中, ˙ε 为应变速率, σ为真应力, Q为变形激活能; R为气体常数, 取8.314 J·mol^-1; A, α, n, β均为与温度无关的常数, 并且α=β/n₁。

Zener和Hollomon的有关研究证明, 材料在高温塑性变形时应变速率受热激活过程控制, 应力与应变速率之间的关系可用一项温度补偿应变速率Z参数, 即Zener-Hollomon参数表示:

Ζ=˙εexp(Q/RΤ)=A[sinh(ασ)]n???(4)

将公式(4)两边取对数, 得到:

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)] (5)

根据双曲正弦函数定义, 对公式(5)进行求解, 可以得到:

σ=(1/α)ln{(Z/A)^1/n+[(Z/A)^2/n+1]^1/2} (6)

因此, 求解出A, α, n和Q值, 即可得到GH690合金热压缩时的Arrhenius方程, 也可以得到GH690合金热压缩峰值应力和Z参数的表达式。

对公式(2)和(3)两边取对数可得:

ln˙ε=A1+n1ln(σ)???(7)ln˙ε=A2+βσ???(8)

由公式(7)和(8)可以发现当温度一定时, n₁和β分别为 ln˙ε-lnσ 和 ln˙ε-σ 直线的斜率, 经线性回归后, 将不同变形温度条件下GH690合金峰值应力随应变速率变化情况分别代入公式(7)和(8), 可得到 ln˙ε-lnσ 和 ln˙ε-σ 的关系直线, 如图5所示。 由图5(a)中1150～1250 ℃三条直线的斜率求平均值可得n₁=5.35053, 由图5(b)中950～1100 ℃四条直线的斜率求平均值可得β=0.0348375, 则α=β/n₁=0.006511037。 根据α值, 绘制 ln˙ε-ln[sinh(ασ)] 直线, 如图5(c)所示, 由图中可以看出, 两者间的线性关系吻合很好, 其一元线性回归系数大于0.98。

对公式(1)两边取对数并求偏微分可得:

Q=R(?ln˙ε?ln[sinh(ασ)])Τ(?ln[sinh(ασ)]?(1/Τ))˙ε???(9)

上式括号中的两项分别为一定温度下 ln˙ε-ln[sinh(ασ)] 关系直线的斜率(如图5(c)所示)和一定应变速率下ln[sinh(ασ)-1/T关系直线的斜率(如图6所示)。 将所得的斜率平均值代入公式(9)可得GH690合金的热变形激活能Q=370.4052664 kJ·mol^-1。

将所求的Q值和不同变形温度下的应变速率代入公式(4), 可得到不同的Z值, 绘制lnZ-ln[sinh(ασ)]关系图, 如图7所示, 根据线性回归所得直线和公式(5)可求得, n=4.1341, A=1.2098× 10¹³。

综上, GH690合金材料常数的求解结果为: 变形激活能Q=370.4052664 kJ·mol^-1, 应力指数n=4.1341, 应力水平参数α= 0.006511037 mm²·N^-1, 结构因子A=1.2098×10¹³s^-1。

将求得的Q, n, α和A等材料参数值代入公式(1), 得到GH690合金热压缩时的Arrhenius方程为:

˙ε=1.2098×1013[sinh(0.0065σ)]4.1341exp(-370405.2664RΤ)???(10)

代入公式(4)和(6),可得GH690合金热压缩峰值应力和Z参数的解析式:

σ=153.5854ln{(Z/(1.2098×10¹³))^1/4.1341+[(Z/(1.2098×10¹³))^1/4.1341+1]^1/2} (11)

其中 Ζ=˙εexp(370405.2664RΤ)???(12)

4 结 论

1. GH690合金在950～1250 ℃, 0.001～10 s^-1条件下热变形时, 应变速率和变形温度对合金的流变应力和变形组织有显著影响。 流变应力随变形温度的升高而降低, 随着应变速率的增加而升高, 属于正应变速率敏感材料; 动态再结晶晶粒尺寸随应变速率的增加而减小, 随变形温度的增大而增大。

2. 利用双曲正弦模型, 得到了GH690合金Arrhenius方程为:

˙ε=1.2098×1013[sinh(0.0065σ)]4.1341exp(-370405.2664/RΤ)

热压缩峰值应力的Z参数的表达式为:

σ=153.5854ln{(Z/(1.2098×10¹³))^1/4.1341+[(Z/(1.2098×10¹³))^1/4.1341+1]^1/2}

所获得的本构方程可为热加工工艺的制订提供参考依据。

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