超高强度钢锻件锻造成形微观组织模拟

何海林¹，易幼平¹，李蓬川²，陈春¹

(1. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中国第二重型机械集团公司，四川 德阳，618000)

摘要：为改善起落架锻件的组织均匀性和使用性能，在Gleeble-1500热模拟机上对23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢进行等温压缩实验，研究变形温度、应变速率对微观组织的影响，建立高温变形微观组织演变模型，利用有限元法对起落架成形过程的组织演变进行模拟。研究结果表明：增大锻件的变形程度，可以有效地改善起落架的微观组织；提高变形温度使动态再结晶充分，但会导致晶粒尺寸增大。成形速度影响再结晶形核率和晶粒长大时间，合理的选择才能使得起落架的综合性能最好。

关键词：超高强度钢；锻件；微观组织演变模型；数值模拟

中图分类号：TG317          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)12-4799-07

Microstructure simulation on forging process forultra-high strength steel forging

HE Hailin¹, YI Youping¹, LI Pengchuan², CHEN Chun¹

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. China National Erzhong Group Co., Deyang 618000, China)

Abstract: In order to improve the aircraft landing gear forging microstructure uniformity and performance, isothermal hot compression tests of 23Co13Ni11Cr3Mo ultra-high strength steel were carried out in Gleeble-1500. Influences of deformation temperature and strain rate on microstructure were discussed. Hot deformation microstructure evolution model was established, and the microstructure evolution of aircraft landing gear forming process was simulated by finite element method. The results show that enlarging the forging deformation degree could effectively improve the microstructure of landing gear. Increasing the deformation temperature could make the dynamic recrystallization sufficient, but lead to an increase in grain size. Forming speed affects recrystallization nucleation and grain growth time, a reasonable choice could make the best comprehensive properties of aircraft landing gear.

Key words: ultra-high strength steel; forging; microstructural evolution model; numerical simulation

23Co13Ni11Cr3Mo钢是国内最新研制的二次硬化高Co-Ni超高强度钢，室温抗拉强度σ_b为2 000 MPa、屈服强度σ_s为1 758 MPa，并且抗疲劳性能、断裂韧性、抗应力腐蚀断裂能力、疲劳强度都较高，它主要用在飞机的起落架、气体涡轮发动机主轴和机轮螺栓之类的紧固件上^[1-3]。起落架是飞机的关键部件之一，是在飞机起飞、着陆时用于支撑重量、吸收撞击能量的部件^[4]，在此过程中要承受极大的冲击载荷，并且受偶然因素影响较大，因此起落架的使用条件十分恶劣，其性能的优劣直接关系着整个飞机的正常运作。随着飞机起落架在近、现代飞机的设计过程中的作用日益突出，飞机起落架的可靠度、寿命和耐用性等综合性能要求极高。为了保证起落架的综合性能，需要严格制定热成形工艺以控制成形过程的组织演 变^[5]。由于热变形参数与微观组织演变之间的关系错综复杂，并且起落架的形状复杂，使得控制起落架成形过程中微观组织演变成为了关键问题。随着现代计算机技术的发展，有限元法在金属热塑性成形过程的数值模拟研究中取得了突破进展，能够准确地给出变形体内各部位随时间变化的情况，从而为研究热成形过程的显微组织演变提供了强有力的分析手段。本文作者采用热模拟实验和金相观测方法，分析不同热变形条件下 23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢的组织演变规律，建立高温变形再结晶模型，借助DEFORM有限元软件对起落架成形过程的组织演变进行模拟和分析，为进一步的工艺方案制定提供指导。

1  超高强度钢再结晶模型

1.1  试验方法

在Gleeble-1500热模拟机上进行热压缩试验，试样材料为国内最新的23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢，尺寸(直径×高)为8 mm×12 mm。为了避免试样在高温下氧化，在保护气体下进行试验。为消除端面摩擦对变形抗力的影响，在端面添加润滑剂。试验选取变形温度为900，950，1 000，1 050和1 100 ℃；变形速率为0.001，0.01，0.1和1 s^-1；变形程度为60%。试样以10 ℃/s的加热速率升温，加热至1 176 ℃后保温5 min，以保证奥氏体均匀化，然后以5 ℃/s的冷却速度冷却到变形温度，保温60 s后进行压缩变形，变形结束后立即水淬。

1.2  结果与分析讨论

1.2.1  显微组织观察

图1所示为不同热变形条件下23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢的显微组织。变形温度和应变速率对显微组织演化具有双重作用。高温可使动态再结晶充分，降低能耗，避免残留加工变形组织及混晶，但也会导致稳态晶粒尺寸迅速增大；低温有助于细化晶粒，但会增大材料变形抗力及开裂敏感性，同时动态再结晶不完全，易出现混晶组织。低速率可使再结晶晶粒长大和融合更为充分，晶粒因而较为粗大；而高速率可增加动态再结晶形核率，动态再结晶晶粒长大时间不充分，稳态奥氏体晶粒尺寸细小、均匀。

1.2.2  峰值应力模型

流变应力是影响材料成形的重要的因素，不仅受材料特性的影响，而且取决于变形工艺参数。在变形方式确定的情况下，变形温度和应变速率是材料成形过程最主要的控制参数。根据热压缩试验得到23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢的压力、位移、温度、时间等实验数据，经数据处理得到不同应变速率和不同温度下的真应力-真应变曲线如图2所示。

图1  不同热变形条件下的显微组织

Fig. 1  Microstructures under different hot deformations

图2  真应力-真应变曲线

Fig. 2  True stress-true strain curves

通过热压缩试验得到了真应力-真应变曲线，利用数学回归的方法得到高温塑性变形条件下，23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢的流变应力和应变速率之间的关系可用Sellars和Tegart提出的包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦形式的峰值应力模型^[6-7]：

            (1)

式中：为应变速率；σ为真应力；R为摩尔气体常数；T为热力学温度。

1.2.3  峰值应变模型

动态再结晶发生的前提条件是应变必须达到或超过某一临界值ε_c，临界应变ε_c与峰值应变ε_p存在线性关系，峰值应变ε_p为材料在峰值应力σ_p时相对应的应变，它是描述材料变形状态的重要参数。ε_0.5为动态再结晶完成50%时所对应的应变。根据23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢流变应力曲线可以统计出不同温度和应变速率条件下的峰值应变，通过线性回归的方法得到峰值应变模型。

                 (2)

(3)

 (4)

1.2.4  动态再结晶模型

动态再结晶由Avrami型表达式来描述金属材料的动态再结晶运动学过程，该方程给出再结晶体分数^[8-13]。晶粒尺寸模型与变形温度、应变速率密切相关^[14]。在常用模型中，主要有Sellars模型和Yada模型，它们的表达式分别如下：

       (5)

 (6)

式中：X_drex为动态再结晶体积分数；ε真应变；d_rex为动态再结晶晶粒尺寸。     

2  起落架成形微观组织模拟

2.1  有限元仿真模型

图3所示为锻件几何模型。利用Deform 3D有限元软件进行锻造成形模拟。图4所示为坯料与模具位置的关系。坯料材料为23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢，密度为7.85 g/cm³，泊松比为0.302，弹性模量为194.40 GPa，辐射率为0.7，材料的体积比热容8.43 N·℃/mm²。在锻造成形模拟中，坯料初始晶粒尺寸为100 μm，不考虑模具的变形，模具设为刚体。

在起落架锻造成形过程，采用热锻润滑剂，其摩擦因数为0.2。本文着重研究变形程度、变形温度、成形速度对起落架组织演变的影响。具体模拟方案如下：

(1) 模具温度为400 ℃，成形速度为10 mm/s的条件下，对坯料温度分别为950，1 000，1 050和1 100 ℃的情况进行模拟。

(2) 模具温度为400 ℃，坯料温度分别为1 100 ℃的条件下，对成形速度为1，5，10和20 mm/s的情况进行模拟。

图3  起落架形状结构特点

Fig. 3  Shape structure characteristics of landing gear

图4  起落架成形仿真几何模型

Fig. 4  Forming simulation model of aircraft landing gear

2.2  起落架成形模拟结果分析

2.2.1  变形程度对起落架锻件再结晶的影响

图5所示为变形程度对起落架锻件再结晶的影响。从图5可以看出：在锻压成形过程中，起落架锻件的再结晶现象很明显，随着下压量的增加，变形程度增大，再结晶发生更加剧烈。但锻件各部位的再结晶存在差异，这是由于在下压过程中，锻件不同部位产生的形变相差较大，导致各部位的再结晶情况不同，形变越大的部位，再结晶就越充分^[15]。

图6所示为变形程度对锻件晶粒尺寸的影响。从图6可以看出：在起落架的锻造成形过程中，随着下压量的增大，起落架锻件的晶粒尺寸随之减小。这说明起落架锻件的晶粒大小与变形量成反比，因此可以通过提高锻件的变形量来细化晶粒。与此同时，在下压过程中，起落架锻件内部的晶粒受到的形变引起的破碎作用，使得晶粒尺寸均有减小的趋势^[16]，但由于变形量的不同引起的动态再结晶的变化，导致起落架锻件各部位的晶粒细化程度不同。在靠近起落架表面的区域，起落架的晶粒细小，最小晶粒尺寸仅有5 μm左右。

图5  变形程度对起落架锻件再结晶的影响

Fig. 5  Deformation degree effects on recrystallization of landing gear forging

图6  变形程度对锻件晶粒尺寸的影响

Fig. 6  Deformation degree effects on grain size of landing gear forging

2.2.2  变形温度对起落架锻件再结晶的影响

图7所示为变形温度对再结晶的影响。从图7可以看出：变形温度越高，起落架锻件的平均动态再结晶体积分数越大。当变形温度为950 ℃时，起落架锻件的平均再结晶体积分数63.5%，随着变形温度提高到1 050 ℃时，平均动态再结晶体积分数增大到76.5%，增幅为20.1%，这说明变形温度的提升有助于动态再结晶的发生。但当变形温度继续提高时，起落架锻件的平均再结晶百分数基本保持不变。

图8所示为变形温度对晶粒尺寸的影响。从图8可以看出：在变形温度为950 ℃时，起落架锻件的平均晶粒尺寸为32.5 μm，当变形温度提高到1 050 ℃时，平均晶粒尺寸减小到23.3 μm，减小幅度为28.4%。而当变形温度继续提高到1 100 ℃时，起落架锻件平均晶粒尺寸反而增大为24.5 μm。由此可见适当的提高变形温度可以细化起落架锻件晶粒，但变形温度过高时，反而会导致晶粒尺寸增大。

2.2.3  成形速度对起落架锻件再结晶的影响

图9所示为成形速度对起落架锻件再结晶的影响。从图9可以看出：起落架锻件平均再结晶分数随着成形速度提高变化规律是先增大后减小。当成形速度为1 mm/s时，起落架锻件的平均再结晶体积分数为69.9%，随着成形速度提高到5 mm/s时，平均动态再结晶体积分数增大到77.7%，增幅为11.1%；当成形速度继续提升到10和20 mm/s时，起落架锻件的平均动态再结晶体积分数反而减小到76.2%和70.4%。

图10所示为成形速度对起落架锻件再结晶的影响。从图10可以看出：成形速度在1和20 mm/s时，起落架锻件的平均晶粒尺寸明显大于其他2种条件下的。在成形速度为5 mm/s时，起落架锻件的平均晶粒尺寸最小，晶粒大小为24 μm，与成形速度为1 mm/s的条件下的平均晶粒尺寸31 μm相比，晶粒细化程度达到22.6%。这说明成形速度的合理选择能够有效的改善起落架的微观组织，提高晶粒度。

图7  变形温度对再结晶的影响

Fig. 7  Deformation temperature effects on recrystallization of landing gear forging

图8  变形温度对晶粒尺寸的影响

Fig. 8  Deformation temperature effects on grain size of landing gear forging

图9  成形速度对起落架锻件再结晶的影响

Fig. 9  Forming speed effect on recrystallization of landing gear forging

图10  成形速度对起落架锻件晶粒尺寸的影响

Fig. 10  Forming speed effect on grain size of landing gear forging

3  结论

(1) 通过等温压缩实验建立了23Co13Ni11Cr3Mo超高强度钢峰值应力模型、峰值应变模型、高温变形动态再结晶模型及静态再结晶模型。

(2) 变形温度对起落架锻件微观组织影响很大，变形温度的提高可以有效增大再结晶程度，使动态再结晶充分，但也会导致晶粒尺寸增大。在变形温度为1 050~1 100 ℃条件下，起落架的再结晶充分、晶粒尺寸较小。

(3) 成形速度影响起落架锻件微观组织，成形速度较低，再结晶晶粒长大和融合更为充分，晶粒因而较为粗大。成形速度较高，动态再结晶形核率增加，晶粒长大时间不充分，稳态奥氏体晶粒尺寸细小、均匀。

(4) 变形温度为1 050 ℃，成形速度为10 mm/s时，起落架动态再结晶充分，晶粒尺寸细小，平均晶粒尺寸为23.3 μm。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2013-02-21；修回日期：2013-05-28

基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2011CB706802)；国家重大专项项目(2012ZX04010-081)

通信作者：易幼平(1966-)，男，湖南湘潭人，博士生导师，从事航空锻件等温锻压成形工艺与模具技术、金属塑性成形过程材料微观组织演化建模与仿真等研究；电话：0731-88830294；E-mail：yyp@csu.edu.cn