h13鋼的超塑性能研究

材料在特定的內(nèi)部和外部條件下表現(xiàn)出的高度異常的塑性現(xiàn)象稱為超塑料。金屬在超塑性狀態(tài)下具有極好的成形性和極小的流動(dòng)應(yīng)力,同時(shí)又克服了機(jī)加工和電加工所造成的材料纖維不連續(xù)、模具型腔存在白亮層的缺點(diǎn),所以超塑成形技術(shù)在形狀復(fù)雜的模具型腔的批量加工領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。H13鋼是當(dāng)前我國模具行業(yè)普遍看好的新鋼種,近幾年得到了很好的推廣。這也是我們研究開發(fā)這一超塑性模具材料的原因。1試驗(yàn)條件和方法1.1試驗(yàn)用鋼試驗(yàn)所用的H13鋼直接取自工業(yè)用?20mm熱軋退火圓鋼,原始組織為細(xì)粒狀珠光體和少量未溶碳化物。其化學(xué)成分及臨界點(diǎn)見表1。1.21.3鋼的超彈性拉伸試驗(yàn)(1)樣品和預(yù)處理方法超塑拉伸試樣及尺寸見圖1,按圖2的規(guī)范進(jìn)行鹽浴循環(huán)淬火處理。(2)夾頭速度的確定超塑性拉伸試驗(yàn)裝置為自行改裝的WJ-10A型機(jī)械萬能材料試驗(yàn)機(jī),夾頭速度在0.05～2.4mm/min內(nèi)連續(xù)可調(diào)。加熱爐為自制管式電阻爐,功率為3kW,配用DWT-702控溫設(shè)備分三區(qū)控溫,均溫區(qū)長(zhǎng)度為250mm,三區(qū)溫差≤±2℃。(3)潤(rùn)滑復(fù)合潤(rùn)滑試驗(yàn)選用CR-26玻璃保護(hù)潤(rùn)滑劑。該潤(rùn)滑劑在600～800℃范圍內(nèi)可在試樣表面形成一層均勻的玻璃質(zhì)覆蓋層,具有良好的潤(rùn)滑性能和抗氧化脫碳性能。(4)測(cè)試方法在經(jīng)過預(yù)處理的試樣表面刷涂保護(hù)潤(rùn)滑劑,將試樣加熱到規(guī)定溫度,保溫20min后進(jìn)行拉伸。記錄P-ΔL變化曲線。2影響應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m的因素影響超塑性能的因素很多,其中主要的有晶粒度、變形溫度、變形速度等。這些因素大都直接影響到應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m的大小。因此,變形前的預(yù)處理及適當(dāng)?shù)淖冃螀?shù)的選擇顯得尤為重要。2.1晶粒尺寸對(duì)變形的影響要獲得恒溫超塑性,要求顯微組織是穩(wěn)定的、等軸的、復(fù)相的極細(xì)晶粒。晶粒直徑一般在0.5～5μm左右。通常,晶粒直徑大于10μm就難于實(shí)現(xiàn)超塑性。晶粒的長(zhǎng)大會(huì)使晶界面積減小,晶間滑移的趨勢(shì)下降,導(dǎo)致材料的超塑性降低;而減小晶粒尺寸(在一定范圍內(nèi)),一般會(huì)產(chǎn)生下面幾種影響:(1)使流變應(yīng)力下降;(2)超塑性變形區(qū)變寬,且向應(yīng)變速率增大的方向移動(dòng);(3)應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m的峰值增加,且與此峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率向高應(yīng)變速率方向移動(dòng)。由于H13鋼中含有較多的Cr、Mo、V等碳化物形成元素,因此組織中有大量的高硬度、低塑性的碳化物。這些碳化物的存在,在變形中增大了不同組成相間變形的不協(xié)調(diào)性;另一方面,碳化物形狀的不規(guī)則,分布的不均勻,容易引起應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致變形孔洞的產(chǎn)生及發(fā)展。所以,預(yù)處理的質(zhì)量對(duì)超塑性能影響很大。本文對(duì)采用的H13鋼鹽浴循環(huán)淬火的晶粒細(xì)化方法,經(jīng)電鏡觀察表明,可以得到晶粒度為13級(jí)的等軸微細(xì)晶粒,碳化物顆粒細(xì)小,分布均勻。2.2s13鋼的超塑性拉伸性能H13鋼在附近即780～880℃溫度區(qū)間內(nèi)的超塑性拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3。由圖3可見,H13鋼在820～860℃范圍內(nèi)具有較好的超塑性拉伸性能;在840℃得到最高δ值185%,相應(yīng)的σ值為31MPa。因此可以確定:H13鋼在1.6×10-4/s的應(yīng)變速率下,在840℃左右具有最佳超塑性能。2.3超塑性拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)H13鋼在840℃變形溫度下,應(yīng)變速率在(0.8～4.0)×10-4/s的范圍內(nèi),進(jìn)行超塑性拉伸,結(jié)果如圖4所示。由圖4的結(jié)果表明,在840℃,在(0.8～0.4)×10-4/s的應(yīng)變速率范圍內(nèi),H13鋼具有良好的超塑性能,其相應(yīng)的δ普遍高于100%。其中應(yīng)變速率在1.6×10-4/s時(shí),獲得最高延伸率δmax=185%。2.4應(yīng)力應(yīng)變曲線m值的測(cè)定方法較多,其中等速度拉伸法是一種簡(jiǎn)便而有效的方法。其特點(diǎn)是機(jī)床的拉伸夾頭位移速度V不變。圖5是H13鋼在840℃,V=0.24mm/min下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在恒速度拉伸條件下,m=-d(lnσ)/dε。將應(yīng)力應(yīng)變曲線變化較穩(wěn)定的一段換算成lnσ-1～ε曲線,該曲線的斜率即為m值。lnσ-1～ε曲線如圖6所示。取應(yīng)變值ε在30%～50%之間的曲線的平均斜率作為m值得:m=0.26。3溫度和流變速率對(duì)應(yīng)力的影響通過試驗(yàn)研究表明:H13鋼經(jīng)1000℃三次循環(huán)淬火后,晶粒度可達(dá)13級(jí);在溫度為840℃