一个新的分段粉末冶金高速钢的动态本构方程

文摘

为了优化粉末冶金高速钢的热加工技术,粉末冶金(PM)的热变形行为研究了高速钢gleeble - 1500 d模拟的温度范围1000 - 1150°C,应变率0.001 s - 1和1.0 s - 1和变形率之间60%的样本。不同温度下的流动应力和应变率进行了分析。结果表明,流动应力明显变形温度和应变速率的影响。相应的峰值应力和应变的增加降低温度和应变速率的降低。变形温度、应变速率和变形活化能对组织有很大的影响。变形活化能的值是750.67焦每摩尔。数学模型的应变与峰值应力对应的成立。相对应的应变之间的关系相对应的峰值应力和应变临界压力可以被描述为:εc = 0.606εp。节段的动态本构方程建立了不同应变下基于分段的想法。

关键字

粉末冶金、高速钢、热变形、流动压力,动态再结晶,节段性本构方程

介绍

高速与特殊性能钢是一种钢,具有良好的性能和优秀的稳定的硬度和韧性好(1,2]。主要用于制造复杂的薄刀片和金属切削工具,也可以是高温轴承和冷挤压模具生产的。然而,这种合金的变形是相当困难,因为高的内容合金元素。热加工性受变形温度和应变速率。随着工业的发展,粉冶金(PM)高速钢铁接下来。PM高速钢的优点是避免了力学性能退化和热处理变形造成的合金元素和碳化物偏析。

传统的热变形行为和本构方程研究了高速钢(3,4]。但是,下午高速钢研究相对比较少。在变形过程中,热变形本构方程作为一个重要的部分在大量研究钢和合金(5- - - - - -16]。本构方程可以用来描述变形温度之间的关系,真正的应变、应变率和流压力。然而,动态软化机制对流动应力有很大的影响。在构建本构方程、动态软化机制应该思考。在本文中,为了描述动态再结晶,提出了一种新的动态本构方程来研究这个点高速钢铁。根据热模拟压缩在不同的变形温度和应变率下,我们初步研究了峰值应力和相应的应变,临界应力和相应的应变,最后建立了新的动态本构方程。他们所有人都受益的热变形研究点高速钢铁。

实验

这次调查中使用的高速钢是由热等静压机(臀部)。由氩气雾化采集的原始粉末颗粒,和它的直径范围从20到50μm。化学成分(wt %)是:C, 1.15;Cr, 4.00;V, 3.00;W, 6.00;密苏里州,5.00;铁平衡。粉被封装在一个不锈钢胶囊,然后由髋部的温度1100 - 1150°C和110 MPa的压力为3小时。图1介绍了典型的微观结构这个点之前高速钢回火马氏体组成的热变形矩阵和均匀分布的碳化物。

圆柱形压缩样本直径8毫米和12毫米的高度从as-HIPed坯加工。等温热压缩试验是进行gleeble - 1500 d thermo-simulation机器的变形温度下,1000年,1050年,1100年和1150°C,和恒应变率被选为0.001、0.01、0.1和1.0¹,分别。压缩的标本都是加热10°C / s的速度和维持3分钟。标本被60%的原始压缩高度后跟的喷雾淬火显微结构的观察。整个过程的加热、保温和热压缩被氩保护。变形后,晶粒结构的变形标本观察OLYMPUS-PMG3光学显微镜分析微观结构。

实验结果和讨论

流动应力行为

图2显示了典型的真实stress-true应变曲线高速钢在不同的点变形温度和应变率。这些曲线可以用来表示变形温度的影响,应变速率和真正的流动应力应变。大部分的曲线表现出典型特征的动态再结晶(DRX) [17]。流压力首先增加到峰值,由于加工硬化与真应变的增加,然后下降,逐渐转向是稳定的。压力的峰值应力出现在0.05到-0.10之间。相对应的压力峰值应力随温度的降低和应变速率的增加。因此,DRX充当主要的软化机制。然而,温度的降低和应变速率的增加将会推迟DRX的发作。峰值应力后,应力随应变的增加而减小。在某些情况下,达到稳定应力状态的流动应力仍近常数随着应变的增加。这样的流动行为的影响表明,软化机制(DRX DRV)足够足以抵消加工硬化的影响。这有一个好的协议与其他材料的观察,如超级合金(18和钛合金19]。

峰值应力的关系和相应的应变

基于这个点的真实stress-true应变曲线高速钢铁、峰值应力和相应的应变可以了。峰值应力和相应的应变在不同变形温度和应变速率下所示图3和图4。基于实验结果,变形温度和应变速率对峰值应力有很大的影响和相应的应变。他们两人的增加与减少温度和应变速率的增加。有两个原因,解释这一现象。一方面,随着变形温度的增加,材料的热激活增加,原子的平均动能增加,晶体滑移的临界切应力降低,位错运动之间的屏蔽效果和减少。另一方面,随着变形温度的增加,动态软化更有可能发生。它可以减少位错密度和抵消变形过程中的加工硬化,从而促进峰值应力和相应的应变降低(20.]。因此,随着变形温度的增加,峰值应力和相应的应变逐渐减少。在低应变速率下,每单位时间降低,塑性变形和蠕变变形有充足的时间。位错增殖率的减少会导致位错密度的减少。变形双晶、混乱和其他缺陷减少变形的过程中,他们会导致流的减少压力。同时,扩展变形时间是效益的充分DRX,它导致的减少峰值应力和相应的应变。

根据卖家(17,18之间的关系,应变与峰值应力对应的ε_p、变形温度和应变率ε可以表示如下:

ε=一个₂ε^.m1exp(问₁/ RT) (1)

在那里,问₁是再结晶活化能;R是气体常数;和m₁和一个₂是常数。

菌株之间的关系对应的峰值应力和临界应力可以表示如下:

(2)

,εc菌株对应的临界压力,一个₁是常数。

根据实验数据的线性回归,可以获得,Q₁= 86.09焦每摩尔₂= 2.02×10⁵和m₁= 0.08795。因此,在变形条件下的温度范围1000 - 1150°C,应变率在0.001秒之间¹和1.0年代¹,相对应的应变峰值应力可以表示如下:

(3)

相对应的应变之间的峰值应力模拟和试验所示图5,计算值和实验值之间的误差很小,平均误差小于4%的价值。因此,这个建立的数学模型可以用来计算相对应的应变峰值应力在不同温度和不同应变速率。

热变形的活化能

根据卖家(21,22),流动应力之间的关系,变形温度和应变速率可以表示一个普遍的双曲正弦函数如下:

(4)

在那里,σ是流动应力;问是热变形活化能;а和n是常数。

Zener-Hollomon参数(Z参数),称为温度修改后的应变率,被广泛用于描述结合应变率和温度对变形过程的影响。它可以表现在以下方程:

(5)

eqn的对数。(4)可以表达的:

lnε= ln + nln [sinh(ασ)]−Q / RT (6)

eqn两边的偏导数。(6)应变率和1 / T,热变形活化能可以表达的:

(7)

基于eqn。(7)、热变形活化能问可以获得。表1显示了Q值在不同变形温度和应变速率。结果表明,热变形活化能大大受变形温度和应变速率的影响。问的平均值是在不同的变形条件下750.673焦每摩尔。

表1。热变形活化能的值问在不同的温度和应变率。

此外,变形活化能之间的内在关系和热动力学行为进行了研究。变形活化能的值对组织有很大的影响。有一个伟大的在不同变形温度和微观结构之间的差异应变率。图6显示这个点的典型变形微观结构高速钢在不同变形温度和应变速率。在同一变形温度、变形活化能随应变率上升。由于高速变形和变形活化能高,动态恢复和动态再结晶是很难发生,和高温下的镜头停留时间对这些软化机制,图6 b、6 c可以用来表示这种现象在热变形。在相同的应变率,提高变形的变形活化能降低温度。此外,高温有利于动态恢复和动态再结晶。基于微观结构,温度升高有利于动态恢复和动态再结晶,如图所示图6 c和6 d。连续动态再结晶和晶粒生长会发生在一个较高的变形温度和应变速率较低,如图所示图6 f。总之,粉碎颗粒发生完全动态再结晶的增加变形温度和应变速率的降低。因此,组织好、制服。

应变的关系对应于相对应的峰值应力和应变临界压力

相对应的应变之间的关系相对应的峰值应力和应变应力可以表示为eqn至关重要。(2)的常数₁基于应变能计算对应于相对应的峰值应力和应变临界应力在不同温度和应变率。

应变硬化率在不同温度和应变率可以得到基于真实stress-true应变曲线。加工硬化率与应变之间的关系是线性拟合得到的。1100°C的应变硬化速率温度和应变速率为0.01 s¹所示图7。基于这种方法,1100°C的应变硬化速率温度和不同的应变率所示图8。应变速率的应变硬化率0.01¹和不同温度下所示图9。

基于加工硬化率曲线,相对应的应变临界应力在不同温度和应变率可以得到(所示表2),相对应的应变临界压力的增加降低了温度和应变速率的降低。因为,随着变形温度和应变速率的减小,晶界迁移的增加,时间的积累失真能源和位错湮灭会延迟,这是有利于软化机制等动态再结晶(23]。

表2。相对应的应变粉末冶金高速的临界压力钢在不同温度和应变率。

根据应变的值对应于相对应的峰值应力和应变临界压力,他们可以通过线性拟合(所示图10),线性的污水是0.606,eqn。(1)可以写成:

(8)

因为实验材料粉末冶金高速钢,颗粒很小,很容易为动态再结晶过程中热模拟压缩,和相对应的应变临界压力小,的价值₁并不大。

动态再结晶本构方程在不同的部分

根据真实的高速钢stress-true应变曲线的点,动态软化机制是动态恢复和动态再结晶,和这两个机制扮演不同的领导角色在不同的应变范围。当压力达到一定值(临界应变),压力达到峰值应力后呈下降趋势,动态再结晶使主导作用。动态软化机制时应充分考虑建立本构方程。动态再结晶在不同截面可以建立本构方程,并更好的预测的真实stress-true应变曲线点高速钢在不同的温度和应变率。当热变形为主,加工硬化和动态恢复,应力和应变之间的关系可以表示为24]:

(9)

在那里,C是一个常数。

eqn的对数。(4)可以显示一个线性关系,线性的斜率是eqn常数C。(9)。我们可以选择一个数量的点真的stress-true应变曲线和拟合这些数据通过使用一个线性:

c = 0.8739 (10)

eqn的峰值应力。(4)可以通过热变形方程表示:

(11)

eqn。(2)可以表达的另一种形式:

Z =εexp (Q / RT) = (sinh(ασ))ⁿ(12)

使用eqn。在eqn (12)。(6):

(13)

进行线性回归分析的峰值应力在不同温度和应变率,n的值,分别问和决定当n = 8.192,问= 750.673焦每摩尔,一个= 9.6737×10⁹。因此,峰值应力可以表示为:

(14)

另一个表达式是:

eqn。(3)可以通过另一种形式表达:

(15)

当ε<ε_p分段的本构方程可以表示为:

(16)

当ε≥p,基于动态再结晶机制,发生动态再结晶后的流动应力可以用阿仑尼乌斯方程描述,分段本构方程可以表示为:

(17)

在那里,σ_党卫军的稳态应力动态再结晶,C₁相关系数是软化的程度和真正的stress-true应变曲线。

真stress-true应变曲线上任意一点在稳态流动应力可以采摘,菌株εk和相应的压力是σ_k(σ_党卫军<σ_k<σ_p),系数C₁可以通过将eqn应变和应力。(17):

(18)

在计算的过程中,εk的值是0.6,和相应的应力σ_k可以确定。把εkσ_keqn。(18),C的值₁在每一个温度和应变速率。此外,在选择的过程中εk的价值,价值的C₁更适合当εk更大的价值。在计算的过程中,我们选择的价值εk接近0.6。

是一样的峰值应力的计算方法,压力的稳定状态在不同温度和应变率可以表示通过热变形方程:

(19)

通过回归,n的值决定当n = 5.1027,和相应的价值活化能为稳态压力确定Q = 466.361焦每摩尔。的价值取决于温度和应变率,在不同条件下的价值可以得到回归。所以eqn。(14)可以写成:

(20)

稳定的值在一定的温度和应变速率下的应力可以通过上面的计算公式。使用命令。(14)、(15)和(20)和C₁在eqn。(17)本构方程可以得到当ε≥ε_p。

(21)

验证实验模型:流动应力在不同温度和应变率可以通过上述截面本构方程。以应变率0.01 s - 1为例,计算值和实验值之间的比较。所示的结果图11。

通过验证,动态再结晶与分段本构方程与实验值符合较好,平均误差约为3.4%,尤其是在高温下,计算流压力更符合实验的结果。在同一变形温度下,误差逐渐减小的值随着应变的增加。实验值和计算值几乎是一致的压力达到一定值后。因此,动态再结晶本构方程得到本文可以用于预测高应变下的流动应力非常好。

结论

1。这个点高速的流动应力钢热变形期间受压力的影响。因为加工硬化使一个主要角色在最初的阶段(ε< 0.1),流动应力大幅增加,达到峰值速度很快;动态软化的影响大于加工硬化的效果与应变的继续增加,流动应力逐渐减小,流动应力趋于稳定的进一步增加压力。流动应力随变形温度的增加或减少的应变率。

2。流峰值应力和相应的应变明显受到变形在热变形温度和应变速率。他们两人降低变形温度的增加或减少的应变率。数学模型下的应变与峰值应力对应建立不同的应变速率和变形温度为:

3所示。应变硬化率是非常不同的在变形过程中不同变形阶段。应变硬化率大幅减少变形的初始阶段。当压力达到临界应变,应变硬化率减少的速度是缓慢的,和应变硬化率达到一个负值。应变硬化率逐渐增加,逐渐趋向于零应变的进一步增加,因此,流动应力达到一个稳定状态。相对应的应变之间的关系相对应的峰值应力和应变临界压力可以被描述为:εc = 0.606ε_p。

4所示。动态再结晶软化机制应考虑热变形,和动态再结晶的本构方程在不同截面点高速钢建立:

当ε<ε_p:

当ε≥ε_p:

确认

支持的工作是自然科学基金(批准号51775440),国家自然基金(批准号51175431)和中国博士后科学基金(批准号2012 t50818)。

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