工程科学学报，第37卷，第10期：1338-1343,2015年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.10:1338-1343,October 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.10.013;http://journals.ustb.edu.cn 电热合金Cr20Nio的热变形行为及热加工图 李亚敏四，龚乃国 兰州理工大学有色金属合金及加工教有部重点实验室，兰州730050 ☒通信作者，E-mail:leeyamin@163.com 摘要为了解决Cra Nigo电热合金锻造开裂的问题，在Gleb一l500D热模拟试验机上对该合金进行热压缩试验，研究变形 温度为900~1220℃，应变速率为0.001~10s1条件下的热变形行为，并根据动态材料模型建立合金的热加工图.合金的真 应力一真应变曲线呈现稳态流变特征，峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增加：热变形过程中稳态流变应力可 用双曲正弦本构方程来描述，其激活能为371.29kJ·ol1.根据热加工图确定了热变形流变失稳区及热变形过程的最佳工 艺参数，其加工温度为1050~1200℃，应变速率为0.03~0.08s.优化的热加工工艺在生产中得到验证 关键词电热合金：铬镍合金：热压缩：热变形：热加工图 分类号TG144:TG146.1·5 Hot deformation behavior and processing maps of Cr2oNiso electrothermal alloy LI Ya-min,GONG Nai-guo Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing (Ministry of Education),Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China Corresponding author,E-mail:leeyamin@163.com ABSTRACT To solve the problem of forging cracks,the hot deformation behavior of Cr Niso electrothermal alloy was investigated by compression tests on a Gleeble-1500D thermal simulation machine in a temperature range of 900 to 1220C and a strain rate of 0.001 to 10s.The hot processing map of the alloy was established according to the dynamic materials model (DMM).It is found that the true stress-true strain curves have steady-state flow characteristics.The peak stress increases with decreasing deformation temperature or increasing strain rate.The flow behavior is described by a hyperbolic sine constitutive equation,and the activation energy of the alloy is about 371.29kJmol.Based on the processing map,the process of hot deformation in the temperature range at different strain rates can be attained,of which the optimum hot deformation temperature ranges in 1050-1200 C and the strain rate is 0.03- 0.08s",and the instability zones of flow behavior can also be recognized.The optimal hot-working technology is validated to be successful in production. KEY WORDS electrothermal alloys;chromium nickel alloys:hot compression:hot deformation:processing maps Cr,N电热合金是一种铬熔于镍的奥氏体合金，际生产过程中因变形温度和变形速率选择不当，在锻 它具有从室温到融化温度不发生相变的特点，是一种 造过程中容易发生开裂现象. 稳定的固溶体0.同时，该合金还具备高温强度高、高 热加工图为评价材料加工性能优劣的图形，是设 温抗氧化性能好网、加工成型性能优异等诸多特性，是 计、优化材料加工工艺的有效工具.通过热加工图可 制作高质量电热元件的首选材料.目前，该合金已广 以分析出材料在不同温度和不同应变速率下的热变形 泛应用于医疗、化工、电子、电器、治金机械、陶瓷玻璃 行为，并且能够预测出加工过程的“安全区”和“非安 加工等工业的加热设备和民用的加热器具国.然而实 全区”，从而为优化加工工艺参数提供指导.本文 收稿日期：201406-03 基金项目：甘肃省自然科学基金资助项目(1112RZA030)
工程科学学报，第 37 卷，第 10 期: 1338--1343，2015 年 10 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 10: 1338--1343，October 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 10． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 电热合金 Cr20 Ni80 的热变形行为及热加工图 李亚敏，龚乃国 兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州 730050 通信作者，E-mail: leeyamin@ 163． com 摘 要 为了解决 Cr20Ni80电热合金锻造开裂的问题，在 Gleeb--1500D 热模拟试验机上对该合金进行热压缩试验，研究变形 温度为 900 ～ 1220 ℃，应变速率为 0. 001 ～ 10 s － 1 条件下的热变形行为，并根据动态材料模型建立合金的热加工图． 合金的真 应力--真应变曲线呈现稳态流变特征，峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增加; 热变形过程中稳态流变应力可 用双曲正弦本构方程来描述，其激活能为 371. 29 kJ·mol － 1 ． 根据热加工图确定了热变形流变失稳区及热变形过程的最佳工 艺参数，其加工温度为 1050 ～ 1200 ℃，应变速率为 0. 03 ～ 0. 08 s － 1 ． 优化的热加工工艺在生产中得到验证． 关键词 电热合金; 铬镍合金; 热压缩; 热变形; 热加工图 分类号 TG144; TG146. 1 + 5 Hot deformation behavior and processing maps of Cr20Ni80 electrothermal alloy LI Ya-min ，GONG Nai-guo Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing ( Ministry of Education) ，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China Corresponding author，E-mail: leeyamin@ 163． com ABSTＲACT To solve the problem of forging cracks，the hot deformation behavior of Cr20Ni80 electrothermal alloy was investigated by compression tests on a Gleeble--1500D thermal simulation machine in a temperature range of 900 to 1220 ℃ and a strain rate of 0. 001 to 10 s － 1 ． The hot processing map of the alloy was established according to the dynamic materials model ( DMM) ． It is found that the true stress--true strain curves have steady-state flow characteristics． The peak stress increases with decreasing deformation temperature or increasing strain rate． The flow behavior is described by a hyperbolic sine constitutive equation，and the activation energy of the alloy is about 371. 29 kJ·mol － 1 ． Based on the processing map，the process of hot deformation in the temperature range at different strain rates can be attained，of which the optimum hot deformation temperature ranges in 1050--1200 ℃ and the strain rate is 0. 03-- 0. 08 s － 1 ，and the instability zones of flow behavior can also be recognized． The optimal hot-working technology is validated to be successful in production． KEY WOＲDS electrothermal alloys; chromium nickel alloys; hot compression; hot deformation; processing maps 收稿日期: 2014--06--03 基金项目: 甘肃省自然科学基金资助项目( 1112ＲJZA030) Cr20Ni80电热合金是一种铬熔于镍的奥氏体合金， 它具有从室温到融化温度不发生相变的特点，是一种 稳定的固溶体［1］． 同时，该合金还具备高温强度高、高 温抗氧化性能好［2］、加工成型性能优异等诸多特性，是 制作高质量电热元件的首选材料． 目前，该合金已广 泛应用于医疗、化工、电子、电器、冶金机械、陶瓷玻璃 加工等工业的加热设备和民用的加热器具［3］． 然而实 际生产过程中因变形温度和变形速率选择不当，在锻 造过程中容易发生开裂现象． 热加工图为评价材料加工性能优劣的图形，是设 计、优化材料加工工艺的有效工具． 通过热加工图可 以分析出材料在不同温度和不同应变速率下的热变形 行为，并且能够预测出加工过程的“安全区”和“非安 全区”［4--6］，从而为优化加工工艺参数提供指导． 本文
李亚敏等：电热合金CrzoNis的热变形行为及热加工图 ·1339· 对通过平面压缩方式在变形温度为900~1200℃，应 属热加工工艺参数设计的基础.本文采用双曲正弦模 变速率为0.001~10s条件下获得的真应力-真应变 型来描述流变应力σ与变形温度T和应变速率： 曲线进行分析并建立热加工图，以期对实际生产过程 之间的关系： 提供指导 =A [sinh (ao)]"exp (-Q/RT). (1) 式中，e为应变速率，o为流变应力，A、a和n均为材料 1试验方法 常数，Q为热变形激活能(J·mol),R为摩尔气体常 试验材料为某公司生产的铸态Cr,Ni知合金，其主 数(8.314 J-mol-.K),T为热变形温度(K) 要化学成分（质量分数）：C0.007,Mn0.23,Si1.07, 同时采用Zener--Hollomon参数来描述应变速率e P0.0046,S0.001,Cr21.6,Ni余量. 与变形温度T之间的关系.Zener-Hollomon参数为Io 为了保证初始状态的一致性，在铸锭的1/4直径 Z=gexp(Q/RT) (2) 位置用线切割的方式按b8mm×l2mm的规格切取圆 式中，Z为Zener-Hollomon参数，其物理意义是温度补 柱试样.在Gleeb-l500D试验机上，先将试样加热到 偿的变形速率因子 1250℃，保温90s,然后以10℃s的冷却速度分别降 将式(2)代入式(1)，得 至预设的变形温度并保温60s以消除温度梯度，然后 Z=A [sinh (ao)]". (3) 进行单道次压缩试验.同时，为了减小试样与压头之 对式(1)两边取偏微分得 间的摩擦以保证试样始终处于单向应力状态，在压头 =R[an(sinh(ao)) aln (sinh(ao))] 与试样之间加上钽片.压缩试验的具体温度为900， a(1/T aln (e) 1000,1050,1100,1150,1180和1220℃：变形速率为 (4) 0.001,0.01,0.1,1和10s:最大变形程度为50%. 取峰值应力与应变速率，利用线性回归，作lne- 压缩后的试样水淬冷却，以保留高温变形组织，然后顺 ln[sinh(ao)]以及ln[sinh(ao)]-l/T之间的关系曲 着压缩方向并沿试样的轴线切开制作金相试样，采用 线，其结果如图2所示.将图2中曲线斜率的平均值 4XC-P℃型光学显微镜观察金相组织. 代入式(4)，可求得Crzo Niso合金的平均激活能为 371.29kJ小mol- 2 试验结果与讨论 对式(3)两端取对数，得 2.1真应力-真应变曲线 InZ InA nln [sinh (ao)] (5) 图1所示为Cr2oNi电热合金在不同变形温度和 再次利用线性回归的方式，作ln[sinh(ao)]- 应变速率下的真应力一真应变曲线.从图1可以看出： lnZ的关系曲线如图3所示，可求出常数A的值为 在各变形条件下，真应力一真应变曲线先呈一个急刷 3.7203×10,而其相关系数高达0.98，说明可以用双 上升的趋势：当应变达到某一临界值时，曲线趋于平 曲正弦模型来描述Cr0Nio合金的高温流变行为.代 稳.这是因为Cran Nis合金的高温流变行为主要受加 入各系数，可得Cr2oNio合金的本构方程为 8= 工硬化和动态再结晶两种机制控制.在变形初期，试 样内部位错进行大量的增殖、缠结，材料的硬化率逐步 3.72034×10s[sinh(0.0060o)]46exp 3712911 RT 增加，加工硬化占主导地位，此时流变应力随应变的增 (6) 加而急剧增大切.当位错累积到一定程度时，材料的 2.3Cr20Ni80合金热加工图的建立 硬化率逐渐减小，动态再结晶机制启动，降低了流变应 根据耗散结构理论，Prsa等W认为材料在热变 力的增加速度.当加工硬化与动态再结晶软化达到平 形过程中单位时间吸收的能量P分为耗散量(G)和耗 衡时，进入稳态流动阶段.同时，从图1中还可以发现 散协量()这两个部分，即 Cr0Ni合金的流变应力对温度和应变速率较为敏感： 随着温度升高和应变速率的减小，流变应力明显减小 P=G+=〔od+o (7) 这是因为随着温度的增加，热激活作用增强，位错只需 式中：G表示材料在塑性变形过程中所耗散的能量，主 要较小的外力就能进行滑移：而在低的应变速率下，能 要转化为热能：J表示材料在塑性变形过程中组织演 够给晶粒的再结晶以及位错的运动提供充足的时间， 变所消耗的能量. 动态再结晶机制增强，热变形所需的外力减小圆 单位系统内，G和J这两种能量的分配比例由应 2.2本构方程的建立 变速率敏感指数m决定，即 本构方程是反映合金流变应力与变形温度、应变 m=al=a= [a(Ino) (8) 速率等热力学参数之间关系的数学表达式，是进行金 aG o ae L a(Ine)
李亚敏等: 电热合金 Cr20Ni80的热变形行为及热加工图 对通过平面压缩方式在变形温度为 900 ～ 1200 ℃，应 变速率为 0. 001 ～ 10 s － 1 条件下获得的真应力--真应变 曲线进行分析并建立热加工图，以期对实际生产过程 提供指导． 1 试验方法 试验材料为某公司生产的铸态 Cr20Ni80合金，其主 要化学成分( 质量分数) : C 0. 007，Mn 0. 23，Si 1. 07， P 0. 0046，S 0. 001，Cr 21. 6，Ni 余量． 为了保证初始状态的一致性，在铸锭的 1 /4 直径 位置用线切割的方式按 8 mm × 12 mm 的规格切取圆 柱试样． 在 Gleeb--1500D 试验机上，先将试样加热到 1250 ℃，保温 90 s，然后以 10 ℃ s － 1 的冷却速度分别降 至预设的变形温度并保温 60 s 以消除温度梯度，然后 进行单道次压缩试验． 同时，为了减小试样与压头之 间的摩擦以保证试样始终处于单向应力状态，在压头 与试样之间加上钽片． 压缩试验的具体温度为 900， 1000，1050，1100，1150，1180 和 1220 ℃ ; 变 形 速 率 为 0. 001，0. 01，0. 1，1 和 10 s － 1 ; 最大变形程度为 50% ． 压缩后的试样水淬冷却，以保留高温变形组织，然后顺 着压缩方向并沿试样的轴线切开制作金相试样，采用 4XC--PC 型光学显微镜观察金相组织． 2 试验结果与讨论 2. 1 真应力--真应变曲线 图 1 所示为 Cr20Ni80 电热合金在不同变形温度和 应变速率下的真应力--真应变曲线． 从图 1 可以看出: 在各变形条件下，真应力--真应变曲线先呈一个急剧 上升的趋势; 当应变达到某一临界值时，曲线趋于平 稳． 这是因为 Cr20Ni80合金的高温流变行为主要受加 工硬化和动态再结晶两种机制控制． 在变形初期，试 样内部位错进行大量的增殖、缠结，材料的硬化率逐步 增加，加工硬化占主导地位，此时流变应力随应变的增 加而急剧增大［7］． 当位错累积到一定程度时，材料的 硬化率逐渐减小，动态再结晶机制启动，降低了流变应 力的增加速度． 当加工硬化与动态再结晶软化达到平 衡时，进入稳态流动阶段． 同时，从图 1 中还可以发现 Cr20Ni80合金的流变应力对温度和应变速率较为敏感: 随着温度升高和应变速率的减小，流变应力明显减小． 这是因为随着温度的增加，热激活作用增强，位错只需 要较小的外力就能进行滑移; 而在低的应变速率下，能 够给晶粒的再结晶以及位错的运动提供充足的时间， 动态再结晶机制增强，热变形所需的外力减小［8］． 2. 2 本构方程的建立 本构方程是反映合金流变应力与变形温度、应变 速率等热力学参数之间关系的数学表达式，是进行金 属热加工工艺参数设计的基础． 本文采用双曲正弦模 型［9］来描述流变应力 σ 与变形温度 T 和应变速率 ε · 之间的关系: ε · = A［sinh( ασ) ］n exp( － Q/ＲT) ． ( 1) 式中，ε · 为应变速率，σ 为流变应力，A、α 和 n 均为材料 常数，Q 为热变形激活能( J·mol － 1 ) ，Ｒ 为摩尔气体常 数( 8. 314 J·mol － 1 ·K － 1 ) ，T 为热变形温度( K) ． 同时采用 Zener--Hollomon 参数来描述应变速率 ε · 与变形温度 T 之间的关系． Zener--Hollomon 参数为［10］ Z = ε ·exp( Q/ＲT) ． ( 2) 式中，Z 为 Zener--Hollomon 参数，其物理意义是温度补 偿的变形速率因子． 将式( 2) 代入式( 1) ，得 Z = A［sinh( ασ) ］n ． ( 3) 对式( 1) 两边取偏微分得 Q = Ｒ [ ln( sinh( ασ) ) ( 1 /T ] ) ε · [ ln( sinh( ασ) ) ln( ε · ] ) T ． ( 4) 取峰值应力与应变速率，利用线性回归，作 lnε · － ln［sinh( ασ) ］以及 ln［sinh( ασ) ］－ 1 /T 之间的关系曲 线，其结果如图 2 所示． 将图 2 中曲线斜率的平均值 代入 式 ( 4 ) ，可 求 得 Cr20 Ni80 合 金 的 平 均 激 活 能 为 371. 29 kJ·mol － 1 ． 对式( 3) 两端取对数，得 lnZ = lnA + nln［sinh( ασ) ］． ( 5) 再次利用线性回归的方式，作 ln［sinh( ασ) ］－ lnZ 的关系 曲 线 如 图 3 所 示，可 求 出 常 数 A 的 值 为 3. 7203 × 1013 ，而其相关系数高达 0. 98，说明可以用双 曲正弦模型来描述 Cr20Ni80合金的高温流变行为． 代 入各系数，可得 Cr20Ni80合金的本构方程为 ε · = 3. 72034 × 1013 ［sinh( 0. 0060σ) ］4. 7647 ( exp － 371291 ) ＲT ． ( 6) 2. 3 Cr20Ni80 合金热加工图的建立 根据耗散结构理论，Prasa 等［11］ 认为材料在热变 形过程中单位时间吸收的能量 P 分为耗散量( G) 和耗 散协量( J) 这两个部分，即 P = G + J = ∫ ε · 0 σdε · + ∫ σ 0 ε ·dσ． ( 7) 式中: G 表示材料在塑性变形过程中所耗散的能量，主 要转化为热能; J 表示材料在塑性变形过程中组织演 变所消耗的能量． 单位系统内，G 和 J 这两种能量的分配比例由应 变速率敏感指数 m 决定，即 m = J G = ε · σ σ ε · [ = ( lnσ) ( lnε · ] ) ε · ，T ． ( 8) ·1339·
·1340· 工程科学学报，第37卷，第10期 140 (a) (b) 900℃ 120 900℃ 200 100 150 形 1000℃ 1000℃ 1050℃ 60 100 1100℃ 1150℃ 1220℃ 50 1220℃ 0.1 0.2 0.30.40.5 0.6 0.7 0.10.2 0.30.40.5 0.6 0.7 真应变 真应变 300 (c) 900℃ 400 900℃ 250 200 300 1000℃ 1000℃ 1050℃ 150 1050℃ 200 1100℃ 1I00 100 1150℃ 1150℃ 1220℃ 100 1220℃ 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0.60.7 0.10.20.30.40.50.60.7 真应变 真应变 400 900℃ 1000℃ 300 1050℃ 1100℃ 200 1150℃ 1220℃ 100 0.102 0.3 0.4 0.50.6 真应变 图1Cr0Nim电热合金不同应变速率的高温压缩真应力一真应变曲线.(a)0.001sl:(b)0.01s1:(c)0.1s1:(d)1s1:(e)10s1 Fig.1 True stress-true strain curves of Crao Niso electrothermal alloy at different strain rates:(a)0.001s(b)0.01s(c)0.1s(d)1 sl:(e)10s1 当m=1时，为理想的线性能量耗散模型，此时 不是功率耗散率？值越大的区域，材料的加工性能越 J=号：当0<m<1时，为非线性能量耗散模型， 好.有可能在失稳的区域功率耗散率)值同样较大 因此，有必要先确定出材料加工过程中的失稳区 引入参数刀，即 Srinivasan等根据材料变形过程中的不可逆热 广m+T (9) 力学原理，提出了材料在大变形时的流变失稳判 据四，即 式中，能量耗散率因子？是一个量纲一的参数，它表 示材料变形过程中显微组织演变所耗散的能量同理想 线性耗散的能量的一个比例系数 (e）=- +m<0. (10) alns 在Origin中画出n与变形温度T和应变速率&的 在Origin中画出(e)随变形温度T和应变速率e 关系图，即为材料加工过程中的功率耗散图.然而，并 变化的等值线关系图，其中负值区域就是失稳区.将
工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 图 1 Cr20Ni80电热合金不同应变速率的高温压缩真应力--真应变曲线． ( a) 0. 001 s － 1 ; ( b) 0. 01 s － 1 ; ( c) 0. 1 s － 1 ; ( d) 1 s － 1 ; ( e) 10 s － 1 Fig． 1 True stress--true strain curves of Cr20Ni80 electrothermal alloy at different strain rates: ( a) 0. 001 s － 1 ; ( b) 0. 01 s － 1 ; ( c) 0. 1 s － 1 ; ( d) 1 s － 1 ; ( e) 10 s － 1 当 m = 1 时，为理想的线性能量耗散模型，此时 J = Jmax = σ ε· 2 ; 当 0 ＜ m ＜ 1 时，为非线性能量耗散模型， 引入参数 η，即 η = J Jmax = 2m m + 1 ． ( 9) 式中，能量耗散率因子 η 是一个量纲一的参数，它表 示材料变形过程中显微组织演变所耗散的能量同理想 线性耗散的能量的一个比例系数． 在 Origin 中画出 η 与变形温度 T 和应变速率 ε · 的 关系图，即为材料加工过程中的功率耗散图． 然而，并 不是功率耗散率 η 值越大的区域，材料的加工性能越 好． 有可能在失稳的区域功率耗散率 η 值同样较大． 因此，有必要先确定出材料加工过程中的失稳区． Srinivasan 等根据 材 料 变 形 过 程 中 的 不 可 逆 热 力学原 理，提出了材料在大变形时的流变 失稳判 据［12］，即 ξ( ε ·) = ( ln m m ) + 1 lnε · + m ＜ 0． ( 10) 在 Origin 中画出 ξ( ε ·) 随变形温度 T 和应变速率 ε · 变化的等值线关系图，其中负值区域就是失稳区． 将 ·1340·
李亚敏等：电热合金Crzo Nis,的热变形行为及热加工图 ·1341· 25 25 (b) 2.0 ·900℃ =0.001s ·1000℃ ·0.01s 1.5 ·1050℃ 40s- 110 1.0 41150℃ 1.0 410g-1 [(]u ·1220℃ 0.5 0.5 0 0 -0.5 -0.5 -1.0 -1.0 -15 -1.5 6 5 -3-2-101 2 0.00065 0.00070 0.00075 0.00080 0.00085 In(/s-) T-/K- 图2不同温度下lnE-ln[sinh(ad]的关系(a)和不同应变速率下ln[sinh(ao]-1/T的关系(b) Fig.2 Relationship between In [sinh (oo)]and Ing at different temperatures (a)and relationship between In [sinh (ao)]and 1/T at different strain rates (b) 为0.3和0.4时的热加工图.图4中等值线表示热变 40 形过程中的能量耗散率)，阴影部分表示（©）<0的 区域，即流变失稳区 36 2.4热加工图的分析及其在生产中的应用 32 从图4可以看出，在不同的应变量下加工失稳区 也在不断变化.当应变量为0.3时，失稳区由三个部 分组成，分别为：温度900~1030℃，应变速率为 26 0.04~10s1:温度为915~975℃，应变速率为0.001~ 0.0015s':温度为1060-1135℃，应变速率为0.496~ 22 10s.当真应变为0.4时，失稳区由0.3时的三个减 -2.0 -1.5 -1.0 -0.500.5 1.0 1.52.0 Infsinh(ao)l 少到了两个，分别为：温度900~1030℃，应变速率为 0.04~10s1;温度为1060~1135℃，应变速率从 图3C0Nio合金峰值应力与Z参数的关系 0.496s到10s.并且随着应变量的增加，低温低应 Fig.3 Relationship between peak stress and Z parameter of Cr2o Nigo 变部分失稳区域消失，同时低温高应变部分的失稳区 alloy 域面积也相对减小.图5是分别取自于两个主要失稳 功率耗散图和失稳图相叠加，形成材料热变形过程中 区的金相图.结合加工图，可知它们都处于”<10% 的热加工图.图4所示为Cra Nis0合金在真应变分别 的失稳区.从图5(a)中可以看出，试样在该条件下晶 2 48 1620 32 16 32 2 24 28 4 1612 28 28/20/8 32、 612 3 32/24208 36 9 95010001050110011501200 90095010001050120011501200 温度T 温度C 图4CrNi0合金在真应变分别为0.3(a)和0.4(b)时的加工图 Fig.4 Processing maps of Crao Niso alloy obtained at the strain of 0.3 (a)and 0.4 (b)
李亚敏等: 电热合金 Cr20Ni80的热变形行为及热加工图 图 2 不同温度下 lnε · － ln［sinh( ασ) ］的关系( a) 和不同应变速率下 ln［sinh( ασ) ］－ 1 /T 的关系( b) Fig． 2 Ｒelationship between ln［sinh( ασ) ］ and lnε · at different temperatures ( a) and relationship between ln［sinh( ασ) ］ and 1 /T at different strain rates ( b) 图 3 Cr20Ni80合金峰值应力与 Z 参数的关系 Fig． 3 Ｒelationship between peak stress and Z parameter of Cr20Ni80 alloy 功率耗散图和失稳图相叠加，形成材料热变形过程中 图 4 Cr20Ni80合金在真应变分别为 0. 3 ( a) 和 0. 4 ( b) 时的加工图 Fig． 4 Processing maps of Cr20Ni80 alloy obtained at the strain of 0. 3 ( a) and 0. 4 ( b) 的热加工图． 图 4 所示为 Cr20Ni80 合金在真应变分别 为 0. 3 和 0. 4 时的热加工图． 图 4 中等值线表示热变 形过程中的能量耗散率 η，阴影部分表示 ξ( ε ·) ＜ 0 的 区域，即流变失稳区． 2. 4 热加工图的分析及其在生产中的应用 从图 4 可以看出，在不同的应变量下加工失稳区 也在不断变化． 当应变量为 0. 3 时，失稳区由三个部 分组 成，分 别 为: 温 度 900 ～ 1030 ℃，应 变 速 率 为 0. 04 ～ 10 s － 1 ; 温度为 915 ～ 975 ℃，应变速率为0. 001 ～ 0. 0015 s － 1 ; 温度为 1060 ～ 1135 ℃，应变速率为0. 496 ～ 10 s － 1 ． 当真应变为 0. 4 时，失稳区由 0. 3 时的三个减 少到了两个，分别为: 温度 900 ～ 1030 ℃，应变速率为 0. 04 ～ 10 s － 1 ; 温 度 为 1060 ～ 1135 ℃，应 变 速 率 从 0. 496 s － 1 到 10 s － 1 ． 并且随着应变量的增加，低温低应 变部分失稳区域消失，同时低温高应变部分的失稳区 域面积也相对减小． 图 5 是分别取自于两个主要失稳 区的金相图． 结合加工图，可知它们都处于 η ＜ 10% 的失稳区． 从图 5( a) 中可以看出，试样在该条件下晶 ·1341·
·1342· 工程科学学报，第37卷，第10期 粒被拉长，并未出现再结晶现象.在低温、高应变速率 加工图中均出现了三个功率耗散率大于32%的峰值 及低的耗散率状况下，系统不能提供足够的能量使其 区域，分别为：温度960~1120℃，应变速率为0.013~ 进行组织演变，故而不是热加工的理想区域.图5(b) 0.22s-:温度为1140~1200℃，应变速率为0.001~ 是在应变速率为10s,温度为1000℃条件下试样的 0.0018s和4.48-10s.图6(a)~(c)分别是上述 金相组织.从图5(b)中可以看到试样存在一个局部 三个功率耗散率峰值区域的峰点或接近于峰点所对应 变形带，当降低温度或提高变形速率时，该变形带可能 的金相组织.从图中可以发现，合金在热变形过程中 发展成为绝热剪切变形带，从而造成加工失稳-W 再结晶较充分，晶粒尺寸细小均匀，并且随温度的升高 从图4中还可以看出在真应变为0.3和0.4时， 和变形速率的减小，晶粒有长大的趋势 200m 200m 图5Cr0Ni知电热合金在失稳区的显微组织.(a)900℃，10s1:(b)1100℃，10s1 Fig.50 ptical micrographs of alloy in the unstable region:(a）900℃，l0s-l:(b)1l00℃，l0s-l 100μm 100m 100m 图6Cr0Ni0电热合金在峰值区域的显微组织.(a)1050℃，0.1s1:(b)1180℃，10sl:(c)1180℃，0.001s-1 Fig.6 Optical micrographs of Cr0Ni0 alloy in the peak zone:(a)1050℃，0.1s-l:(b)1180℃，l0s-l:(c)1180℃，0.001s-l 从以上金相分析可以得出在制定热加工工艺时，不宜太高或太低，因此给出该合金优化的热加工工艺： 应当尽量避开失稳区，在峰值区域选择合适的加工参 温度为1050~1200℃，变形速率为0.03~0.08s- 数，兼顾实际生产中的加工效率和产品质量，变形速率 图7为某公司在锻造温度1180℃，变形速率为0.03~
工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 粒被拉长，并未出现再结晶现象． 在低温、高应变速率 及低的耗散率状况下，系统不能提供足够的能量使其 进行组织演变，故而不是热加工的理想区域． 图 5( b) 是在应变速率为 10 s － 1 ，温度为 1000 ℃ 条件下试样的 金相组织． 从图 5( b) 中可以看到试样存在一个局部 变形带，当降低温度或提高变形速率时，该变形带可能 发展成为绝热剪切变形带，从而造成加工失稳［13--14］． 从图 4 中还可以看出在真应变为 0. 3 和 0. 4 时， 加工图中均出现了三个功率耗散率大于 32% 的峰值 区域，分别为: 温度 960 ～ 1120 ℃，应变速率为 0. 013 ～ 0. 22 s － 1 ; 温度为 1140 ～ 1200 ℃，应变速率为 0. 001 ～ 0. 0018 s － 1 和 4. 48 ～ 10 s － 1 ． 图 6( a) ～ ( c) 分别是上述 三个功率耗散率峰值区域的峰点或接近于峰点所对应 的金相组织． 从图中可以发现，合金在热变形过程中 再结晶较充分，晶粒尺寸细小均匀，并且随温度的升高 和变形速率的减小，晶粒有长大的趋势． 图 5 Cr20Ni80电热合金在失稳区的显微组织． ( a) 900 ℃，10 s － 1 ; ( b) 1100 ℃，10 s － 1 Fig． 5 Optical micrographs of Cr20Ni80 alloy in the unstable region: ( a) 900 ℃，10 s － 1 ; ( b) 1100 ℃，10 s － 1 图 6 Cr20Ni80电热合金在峰值区域的显微组织． ( a) 1050 ℃，0. 1 s － 1 ; ( b) 1180 ℃，10 s － 1 ; ( c) 1180 ℃，0. 001 s － 1 Fig． 6 Optical micrographs of Cr20Ni80 alloy in the peak zone: ( a) 1050 ℃，0. 1 s － 1 ; ( b) 1180 ℃，10 s － 1 ; ( c) 1180 ℃，0. 001 s － 1 从以上金相分析可以得出在制定热加工工艺时， 应当尽量避开失稳区，在峰值区域选择合适的加工参 数，兼顾实际生产中的加工效率和产品质量，变形速率 不宜太高或太低，因此给出该合金优化的热加工工艺: 温度为 1050 ～ 1200 ℃，变形速率为 0. 03 ～ 0. 08 s － 1 ． 图 7 为某公司在锻造温度 1180 ℃，变形速率为0. 03 ～ ·1342·
李亚敏等：电热合金CrzoNis的热变形行为及热加工图 ·1343· 0.05s条件下生产的Crap Nigo电热合金显微组织照 (王振东，宫元生.电热合金.北京：化学工业出版社，2006) 片.从图中可以看出，在该变形条件下合金晶粒均匀、 2] Ding C H,Yang Z M,Zhang H T,et al.Microstructure and ten- 细小，再结晶比较充分.因此可以得出热加工图能够 sile strength of PM304 composite.Compos Part A,2007,38(2): 348 对该合金的实际生产起指导作用. B]Vinayak S,Vyas H P,Vankar V D.Microstructure and electrical characteristics of Ni-Cr thin films.Thin Solid Films,2007,515 (18):7109 4]Ning Y,Yao Z,Guo H,et al.Investigation on hot deformation behavior of P/M Ni-base superalloy FGH96 by using processing maps.Mater Sci Eng A,2010,527 (26):6794 [5]Hu H E,Wang X,Deng L.High temperature deformation behav- ior and optimal hot processing parameters of Al-Si eutectic alloy Mater Sci Eng A,2013,576:45 [6]Huang Y L,Wang J B,Ling X S,et al.Research development of hot processing map theory.Mater Rev,2008,22(Suppl 3):173 50m (黄有林，王建波，凌学士，等.热加工图理论的研究进展 材料导报，2008,22（增刊3）：173) 图7实际生产中Cr0Ni0电热合金在峰值区域的显微组织 7]Xie X H,Yao Z K,Ning Y Q,et al.Investigation on hot deform- Fig.7 Optical micrographs of Cr2o Niso alloy in production ation behavior of P/M superalloy FGH4096.Rare Met Mater Eng, 2012,41(1):82 3结论 (谢兴华，姚泽坤，宁永权，等.FGH4096粉末治金高温合金 (1)Cr,Ni电热合金的真应力一真应变曲线呈现 的热变形行为.稀有金属材料与工程，2012,41(1)：82) 8Zhang IS.High Temperature Deformation and Fracture of Materi- 稳态流变特征.当应变速率一定时，真应力随着温度 als.Woodhead Publishing,2010 的升高而下降：当温度一定时，真应力随应变速率的升 9]Srinivasan N,Prasad Y.Hot working characteristics of nimonic 高而升高. 75,80A and 90 superalloys:a comparison using processing maps (2)Crao Niso电热合金的热变形激活能Q为 J Mater Process Technol,1995,51(1):171 371.291 kJ.mol',其本构方程为 00] Zhang J,Huang B,He Y,et al.Physical simulation of hot de- formation of TiAl based alloy.J Cent South Unig Technol,2002, 8= 9(2):73 3.72034×105ih(0.060d]mep(-371291 01] Prasad Y,Gegel H L.Doraivelu S M,et al.Modeling of dynam- RT ie material behavior in hot deformation:forging of Ti-6242.Me- (3)构建了Cra Nis0电热合金在温度范围为900~ all Trans A,1984,15(10):1883 1220℃，应变速率为0.001~10s条件下的热加工 12] Srinivasan N,Prasad Y,Rama Rao P.Hot deformation behav- 图，为该合金热加工工艺的制定提供了理论依据.确 iour of Mg-3Al alloy:a study using processing map.Mater Sci 定了该合金优化的热加工工艺：温度为1050~ EngA,2008,476(1):146 1200℃，变形速率为0.03~0.08s.采用优化的工艺 [13]Zhao Y H,Ge P,Yang G J,et al.Hot deformation behavior of 参数进行了实际生产，获得了具有良好显微组织和力 Ti-1300 alloy.Rare Met Mater Eng,2009,38(3):550 (赵映辉，葛鹏，杨冠军，等.T1300合金锻造加工热压缩模 学性能的产品. 拟.稀有金属材料与工程，2009,38(3)：550) 参考文献 [14]Li L,Song D J.Processing map for hot working of Ti6213 titani- um alloy.Dev Appl Mater,2012 (3):51 Wang Z D,Gong Y S.Electrothermal Alloy.Beijing:Chemical (李梁，宋德军.T6213合金的热加工图研究.材料开发与 Industry Press,2006 应用，2012(3)：51)
李亚敏等: 电热合金 Cr20Ni80的热变形行为及热加工图 0. 05 s － 1 条件下生产的 Cr20 Ni80 电热合金显微组织照 片． 从图中可以看出，在该变形条件下合金晶粒均匀、 细小，再结晶比较充分． 因此可以得出热加工图能够 对该合金的实际生产起指导作用． 图 7 实际生产中 Cr20Ni80电热合金在峰值区域的显微组织 Fig． 7 Optical micrographs of Cr20Ni80 alloy in production 3 结论 ( 1) Cr20Ni80电热合金的真应力--真应变曲线呈现 稳态流变特征． 当应变速率一定时，真应力随着温度 的升高而下降; 当温度一定时，真应力随应变速率的升 高而升高． ( 2 ) Cr20 Ni80 电 热 合 金 的 热 变 形 激 活 能 Q 为 371. 291 kJ·mol － 1 ，其本构方程为 ε · = 3. 72034 × 1013 ［sinh( 0. 0060σ) ］4. 7647 ( exp － 371291 ) ＲT ． ( 3) 构建了 Cr20Ni80电热合金在温度范围为 900 ～ 1220 ℃，应变速率为 0. 001 ～ 10 s － 1 条件下的热加工 图，为该合金热加工工艺的制定提供了理论依据． 确 定了该合金优化的 热加工工艺: 温 度 为 1050 ～ 1200 ℃，变形速率为 0. 03 ～ 0. 08 s － 1 ． 采用优化的工艺 参数进行了实际生产，获得了具有良好显微组织和力 学性能的产品． 参 考 文 献 ［1］ Wang Z D，Gong Y S． Electrothermal Alloy． Beijing: Chemical Industry Press，2006 ( 王振东，宫元生． 电热合金． 北京: 化学工业出版社，2006) ［2］ Ding C H，Yang Z M，Zhang H T，et al． Microstructure and tensile strength of PM304 composite． Compos Part A，2007，38( 2) : 348 ［3］ Vinayak S，Vyas H P，Vankar V D． Microstructure and electrical characteristics of Ni--Cr thin films． Thin Solid Films，2007，515 ( 18) : 7109 ［4］ Ning Y，Yao Z，Guo H，et al． Investigation on hot deformation behavior of P /M Ni-base superalloy FGH96 by using processing maps． Mater Sci Eng A，2010，527( 26) : 6794 ［5］ Hu H E，Wang X，Deng L． High temperature deformation behavior and optimal hot processing parameters of Al--Si eutectic alloy． Mater Sci Eng A，2013，576: 45 ［6］ Huang Y L，Wang J B，Ling X S，et al． Ｒesearch development of hot processing map theory． Mater Ｒev，2008，22( Suppl 3) : 173 ( 黄有林，王建波，凌学士，等． 热加工图理论的研究进展． 材料导报，2008，22( 增刊 3) : 173) ［7］ Xie X H，Yao Z K，Ning Y Q，et al． Investigation on hot deformation behavior of P /M superalloy FGH4096． Ｒare Met Mater Eng， 2012，41( 1) : 82 ( 谢兴华，姚泽坤，宁永权，等． FGH4096 粉末冶金高温合金 的热变形行为． 稀有金属材料与工程，2012，41( 1) : 82) ［8］ Zhang J S． High Temperature Deformation and Fracture of Materials． Woodhead Publishing，2010 ［9］ Srinivasan N，Prasad Y． Hot working characteristics of nimonic 75，80A and 90 superalloys: a comparison using processing maps． J Mater Process Technol，1995，51( 1) : 171 ［10］ Zhang J，Huang B，He Y，et al． Physical simulation of hot deformation of TiAl based alloy． J Cent South Univ Technol，2002， 9( 2) : 73 ［11］ Prasad Y，Gegel H L，Doraivelu S M，et al． Modeling of dynamic material behavior in hot deformation: forging of Ti--6242． Metall Trans A，1984，15( 10) : 1883 ［12］ Srinivasan N，Prasad Y，Ｒama Ｒao P． Hot deformation behaviour of Mg--3Al alloy: a study using processing map． Mater Sci Eng A，2008，476( 1) : 146 ［13］ Zhao Y H，Ge P，Yang G J，et al． Hot deformation behavior of Ti--1300 alloy． Ｒare Met Mater Eng，2009，38( 3) : 550 ( 赵映辉，葛鹏，杨冠军，等． Ti1300 合金锻造加工热压缩模 拟． 稀有金属材料与工程，2009，38( 3) : 550) ［14］ Li L，Song D J． Processing map for hot working of Ti6213 titanium alloy． Dev Appl Mater，2012( 3) : 51 ( 李梁，宋德军． Ti6213 合金的热加工图研究． 材料开发与 应用，2012( 3) : 51) ·1343·