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摘要：A100超高强度钢因其具有高的抗拉强度、硬度和抗疲劳性能并兼有高的断裂韧性和延展性，被广泛用于先进战机起落架和各种重要承力构件及防护件。本文主要借助Gleeble-3500型热模拟机和LEICA金相显微镜对A100超高强度钢进行热压缩实验和金相实验。通过摩擦和温升效应对流变应力的影响、流变应力曲线、动态再结晶行为、组织演变规律、本构模型以及加工图的深入研究，可为该钢的热加工可行域优化和组织性能控制提供理论依据。
关键词：超高强度；A_100钢；热变形行为
钢铁是人类使用最早、用量最大的结构材料之一一，在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域已广泛应用。为了克服早期钢铁结构材料的强度不足、耐腐蚀性差以及易疲劳断裂等缺点，从二十世纪中期开始，在普通合金结构钢的基础_上通过合金元素优化设计、采用先进冶炼工艺以及改善热处理制度等措施发展了一系列高强度和超高强度钢，以期满足航空航天工业快速发展的需要。超高强度钢是指室温抗拉强度σp≥1400MPa或屈服强度σ2≥1350MPa的结构钢材，在航空领域多用于制造飞机起落架主承力构件、机翼主梁、平尾转轴、直升机旋翼轴、接头和对接螺栓等，是航空制造业必不可少的材料之一。根据超高强度钢中合金元素的总含量可将其分为三类，即低合金超高强度钢、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。
1 A100超高强度钢及其研究现状
国内的A100钢主要是参照美国A100钢的化学成分、冶炼工艺及热处理制度标准而仿制成功的一类二次硬化型超高强度钢。该钢含有较高的Co、Ni合金元素，名义成分为23Co14Ni12Cr3Mo，具有较好的综合力学性能，即具有高拉伸强度（1931~2069MPa）与高断裂韧性（KIC≥120MPa·m1/2）的良好配合，是我国第四代先进战机起落架和国防尖端武器装备的首选材料。目前，国内外学者针对这类超高强度钢所展开的研究工作主要包括合金（夹杂）元素、热处理工艺以及热变形行为等方面对组织与性能的影响，旨在探索改善微观组织的方法，为进一步提高其综合力学性能提供理论支撑。
A100超高强度钢的强化源于基体组织为高位错密度的马氏体组织以及回火析出的细小合金碳化物M2C，与HY180和AF1410钢等二次硬化型超高强度钢的强化机理相似。该钢中添加的主要合金元素有C、Cr、Mo、Co和Ni（见表1-1），合金体系为Fe-Cr-Mo-Co-Ni-C，可通过合金元素间的成分配比及交互作用来影响该钢的组织与性能。作者根据Garrison和张滨岩的研究工作，对A100超高强度钢中主要合金元素的作用简述如下：C是一种有效的间隙固溶强化和碳化物沉淀强化元素，对超高强度钢的强化作用具有重要影响。C含量的增加有利于碳化物的形成，进而提高时效二次硬化峰值，但过高的C含量会严重降低钢的韧性和焊接性能，导致钢的强度与韧性的配合失衡，最佳含量应控制在0.3%以下。
2 热处理工艺
A100超高强度钢标准的热处理制度主要包括固溶处理、深冷和时效三个步骤。固溶处理的目的是使基体奥氏体化，并溶解过时效退火组织中的碳化物析出相；经深冷处理（-73℃）后的奥氏体可全部转化为回火马氏体组织。大多数研究学者认为，二次硬化不是由残余奥氏体分解所引起的，而是由马氏体中M2C、MC和M3C7等细小合金碳化物弥散共格析出导致的。赵振业院士通过多年的深入研究也证实了这一观点，即二次硬化是一种共格析出合金碳化物的弥散强化现象，与V、Mo、W和Cr等强碳化物形成元素的含量有关。表1为几种常见的二次硬化型超高强度钢的热处理工艺。
表1几种常见的二次硬化型超高强度钢的热处理工艺
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二次硬化型超高强度钢中碳化物的析出、长大及转变与回火温度密切相关。回火的不同阶段，碳化物的形态及转变阶段也会有所不同，而碳化物的尺寸、状态、分布等直接影响这类钢的强度和韧性。
3 热变形行为
热变形本构模型是指材料发生热变形时表征流变应力动态响应的数学模型，该模型描述了热力参数（变形温度、应变速率、应变量）或组织状态参数（位错密度、晶粒尺寸等）与流变应力之间的非线性函数关系。由于本构模型的发展与应用在有限元数值模拟方面尤为重要，可通过有限元软件模拟工件的生产过程可发现生产中可能出现的问题，从而优化工艺参数，这对缩短生产周期、降低成本具有重要意义；而实现这一过程的有效途径在于准确地表征流变应力的动态行为。目前，本构模型的建立方法较多，表达形式也各异，大致可分为三类：宏观唯象本构模型、具有物理基础的本构模型和人工神经网络模型。
A100超高强度钢是制造航空锻件的重要结构材料之一，通过热塑性变形不仅可以消除铸态组织、减小偏析、改善夹杂物大小及形态，还可通过控制微观组织发生有益的变形机制（动态回复、动态再结晶等）来细化晶粒，从而改善锻件的组织与性能。
杨小红等是国内最早进行A100超高强度钢的热变形行为研究，认为该合金钢的软化机制主要受动态回复和动态再结晶控制。其中，动态回复温度在900~1000℃，动态再结晶温度在1000~1050℃，计算得到的平均热变形激活能为261.2kJ/mol。汪向荣等采用的是三元二次正交设计对固溶态和轧制态的A100超高强度钢的等温压缩行为进行了研究，结果表明：变形温度、应变速率和应变量对流变应力有显著影响，预处理方式对流变应力的影响不大。Ji等通过A100超高强度钢的单向热压缩实验，采用Arrhenius和人工神经网络模型建立了A100钢的本构关系，得出应用BP型本构关系预测该钢的流变应力更为准确。苗小浦等进一步研究了高温变形参数对A100钢动态再结晶晶粒尺寸的影响，结果表明高温、低应变速率有利于材料动态再结晶充分，但晶粒尺寸较大，低温、高应变速率获得的晶粒细小，但动态再结晶不充分；且建立了动态再结晶的晶粒尺寸的理论模型。此外，乔慧娟基于Malas准则确定了A100钢的流变失稳区，该区域主要集中在中、低温和中、高应变速率区，且对应的组织中显示大量穿过多个晶粒的剪切带，这可能会导致组织形成裂纹和空洞。而侯丹丹应用Prasad准则预测A100钢的流变失稳区主要在低温、高应变速率和高温、高应变速率区，对应的失稳缺陷是局部塑形流动和微裂纹。通过A100钢的热变形研究现状来看，国内外学者对该合金钢的研究还不够全面和深入，主要体现在：①未考虑热压缩过程中摩擦和变形热效应对流变应力的影响；②确立了变形激活能，但对激活能的应用还不够明确；③组织演变规律中缺少对同一试样不同变形区组织的分析以及考虑用于温度补偿的应变速率Zener-Hollomon因子（Z参数）对组织的影响；④采用的本构模型大多基于宏观唯象层面，有必要引入简便的具有物理基础的本构模型进行流变应力表征；⑤对加工图的研究不够深入，有待进一步探索。
结语：
本文以A100超高强度钢为研究对象，通过等温恒应变速率压缩实验获得了变形温度为850~1200℃、应变速率为0.001~10s-1以及变形程度为60%条件下的流变应力曲线。基于摩擦和温升效应的修正理论，对流变应力进行了修正，并通过真应力-应变曲线、动态再结晶行为、组织演变规律、本构关系以及热加工可行域优化等研究，全面、系统阐述了该合金钢的热变形行为，
参考文献：
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