基于响应面法的S280超高强度不锈钢的热变形行为

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27293

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

基于响应面法的S280超高强度不锈钢的热变形行为

张开铭¹, 王克鲁¹(), 鲁世强¹, 柳木桐², 钟平², 田野²

^1.南昌航空大学航空制造工程学院，南昌 330063
^2.中国航发北京航空材料研究院钢与稀贵金属研究所，北京 100095

收稿日期:2022-04-19 修回日期:2022-05-12 接受日期:2022-06-14 出版日期:2022-06-21 发布日期:2022-06-17
通讯作者: 王克鲁 E-mail:wangkelu@126.com

Thermal deformation behavior of S280 ultra-high strength stainless steel based on response surface methodology

Kaiming ZHANG¹, Kelu WANG¹(), Shiqiang LU¹, Mutong LIU², Ping ZHONG², Ye TIAN²

^1.School of Aerospace Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China
^2.Institute of Steel and Rare Precious Metals，AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China

Received:2022-04-19 Revised:2022-05-12 Accepted:2022-06-14 Online:2022-06-21 Published:2022-06-17
Contact: Kelu WANG E-mail:wangkelu@126.com

摘要/Abstract

摘要：

采用Thermecmaster-Z型热模拟试验机进行等温恒应变速率压缩实验，研究了S280超高强度不锈钢在变形温度为850~1 150 ℃、应变速率为0.001~1 s^-1时的热变形行为。分析了S280超高强度不锈钢的流变行为特征，计算了热变形激活能参数、应变速率敏感指数；建立了以变形温度、应变速率、应变为输入变量，热变形激活能参数、应变速率敏感指数为响应目标的响应面模型，并通过多目标可视化优化了S280超高强度不锈钢的热加工工艺参数。结果表明S280超高强度不锈钢为正应变速率和负温度敏感型材料，其流变应力随应变速率的降低和变形温度的升高而减小；建立的响应面模型具有较高精度，能直观反映材料参数与热变形条件之间的关系，可用于材料相关参数的预测；通过多目标可视化优化并结合组织验证获得了S280超高强度不锈钢最佳的热加工工艺参数范围为变形温度1 085~1 150 ℃、应变速率0.001~0.003 s^-1。

关键词: S280超高强度不锈钢, 响应面法, 热变形行为, 工艺参数优化, 热变形激活能, 应变速率敏感指数

Abstract:

The thermal deformation behavior of S280 ultra-high strength stainless steel was studied at deformation temperatures of 850–1 150 ℃ and strain rates of 0.001–1 s^-1. The isothermal constant strain rate compression experiments were carried out using the Thermecmaster-Z thermal simulation tester. The flow behavior characteristics of the stainless steel was analyzed. The thermal deformation activation energy parameter and the strain rate sensitivity exponent were calculated. A response surface model was established with deformation temperature， strain rate， and strain as the input variables and thermal deformation activation energy parameter and strain rate sensitivity exponent as the response targets. The thermal processing process parameters were optimized by multi-objective visualization. The results show that the S280 ultra-high strength stainless steel is a positive strain rate and negative temperature sensitive material， and its flow stress decreases with decreasing strain rate and increasing deformation temperature. The established response surface model has high accuracy and can intuitively reflect the relationship between material parameters and thermal deformation conditions， and can be used for prediction of material-related parameters. Through multi-objective visual optimization and microstructure verification， the optimal thermal processing process parameters for S280 ultra-high strength stainless steel were obtained to be in the range of deformation temperature of 1 085–1 150 ℃ and strain rate of 0.001–0.003 s^-1.

Key words: S280 ultra-high strength stainless steel, response surface method, thermal deformation behavior, process parameter optimization, thermal deformation activation energy, strain rate sensitivity exponent

中图分类号:

V252.1

张开铭, 王克鲁, 鲁世强, 柳木桐, 钟平, 田野. 基于响应面法的S280超高强度不锈钢的热变形行为[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 427293-427293.

Kaiming ZHANG, Kelu WANG, Shiqiang LU, Mutong LIU, Ping ZHONG, Ye TIAN. Thermal deformation behavior of S280 ultra-high strength stainless steel based on response surface methodology[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(8): 427293-427293.

图/表 15

表1

图 1

图 2

图 3

表2

表3

表4

表5

热变形激活能Q的响应面模型方差分析

方差来源	平方和	自由度	均方值	统计量F	概率P
模型	31 969.52	9	3 552.17	188.08	<0.000 1
T	365.93	1	365.93	19.38	0.007 0
lg $ε ˙$	1 397.24	1	1 397.24	73.98	0.000 4
ε	28 788.83	1	28 788.83	1 524.31	<0.000 1
T lg $ε ˙$	0.092	1	0.092	4.857×10^-3	0.947 1
Tε	446.64	1	446.64	23.65	0.004 6
ε lg $ε ˙$	122.60	1	122.60	6.49	0.051 4
T²	195.56	1	195.56	10.35	0.023 5
lg² $ε ˙$	469.40	1	469.40	24.85	0.004 2
ε²	306.32	1	306.32	16.22	0.010 0
残差	94.43	5	18.89
失拟项	94.43	3	31.48
纯误差	0	2	0
总和	32 063.95	14

表5

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图9

图10

参考文献 31

1	钟平，张业勤，钟锦岩，等. 一种新型结构材料S280［J］. 科技导报， 2015， 33（11）： 59-62.
	ZHONG P， ZHANG Y Q， ZHONG J Y， et al. A new type of structural material S280［J］. Science and Technology Review， 2015， 33（11）： 59-62 （in Chinese）.
2	刘振宝，梁剑雄，苏杰，等. 高强度不锈钢的研究及发展现状［J］. 金属学报， 2020， 56（4）： 549-557.
	LIU Z B， LIANG J X， SU J， et al. Research and application progress in ultra-high strength stainless steel［J］. Acta Metallurgica Sinica， 2020， 56（4）： 549-557 （in Chinese）.
3	张睦林，朱立群，刘慧丛，等. 300M超高强度钢在模拟积水环境中的腐蚀行为［J］. 航空学报， 2013， 34（4）： 954-962.
	ZHANG M L， ZHU L Q， LIU H C， et al. Corrosion behavior of 300M ultra-high strength steel in simulated gap water environment［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（4）： 954-962 （in Chinese）.
4	钟锦岩，张业勤，韩雅芳. S280新型超高强不锈钢中一种新析出相研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2019， 48（1）： 116-122.
	ZHONG J Y， ZHANG Y Q， HAN Y F. New phase precipitated from the new type of ultrahigh strength stainless steel S280［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2019， 48（1）： 116-122 （in Chinese）.
5	ZHONG J Y， CHEN Z， YANG S L， et al. Effect of solution and aging temperatures on microstructure and mechanical properties of 10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE （S280） steel［J］. Micromachines， 2021， 12（5）： 566-579.
6	詹中伟，孙志华，汤智慧. 化学钝化对S280超高强度不锈钢综合性能的影响［J］. 腐蚀与防护， 2015， 36（8）： 742-747， 758.
	ZHAN Z W， SUN Z H， TANG Z H. Effect of chemical passivation on properities of S280 ultra high-strength stainless steel［J］. Corrosion & Protection， 2015， 36（8）： 742-747， 758 （in Chinese）.
7	田帅，刘培根. 喷丸强化对S280新型超高强度不锈钢疲劳性能的影响［J］. 材料保护， 2013， 46（7）： 16-18， 6.
	TIAN S， LIU P G. Influence of shot peening on fatigue behavior of S280 ultrahigh strength stainless steel［J］. Materials Protection， 2013， 46（7）： 16-18， 6 （in Chinese）.
8	吴道祥，周杰，马鹏程，等. 基于响应面法的7050铝合金筋板类锻件热模锻成形工艺优化［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2017， 48（3）： 601-607.
	WU D X， ZHOU J， MA P C， et al. Optimization of hot die forging process parameters of 7050 aluminum alloy rib-web type components based on response surface method［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2017， 48（3）： 601-607 （in Chinese）.
9	李萍，丁永根，姚彭彭，等. 基于响应面法的TA15钛合金显微组织预报和优化［J］. 中国有色金属学报， 2016， 26（5）： 1019-1026.
	LI P， DING Y G， YAO P P， et al. Prediction and optimization of TA15 titanium alloy microstructure based on response surface methodology［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2016， 26（5）： 1019-1026 （in Chinese）.
10	SHEN Z N， WU R D， YUAN C L， et al. Comparative study of metamodeling methods for modeling the constitutive relationships of the TC6 titanium alloy［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2021， 10： 188-204.
11	徐勇，尹阔，夏亮亮，等. 面向航空铝合金薄壁深腔构件的冲击液压成形工艺优化［J］. 航空学报， 2021， 42（10）： 524831.
	XU Y， YIN K， XIA L L， et al. Optimization of impact hydroforming process for aeronautical components of aluminum alloy sheets with thin wall and deep cavity［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（10）： 524831 （in Chinese）.
12	LONG J C， XIA Q X， XIAO G F， et al. Flow characterization of magnesium alloy ZK61 during hot deformation with improved constitutive equations and using activation energy maps［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2021， 191： 106069.
13	BABU K A， PRITHIV T S， GUPTA A， et al. Modeling and simulation of dynamic recrystallization in super austenitic stainless steel employing combined cellular automaton， artificial neural network and finite element method［J］. Computational Materials Science， 2021， 195： 110482.
14	JIANG Y Q， LIN Y C， WANG G Q， et al. Microstructure evolution and a unified constitutive model for a Ti-55511 alloy deformed in β region［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2021， 870： 159534.
15	XIAO Y W， LIN Y C， JIANG Y Q， et al. A dislocation density-based model and processing maps of Ti-55511 alloy with bimodal microstructures during hot compression in α+β region［J］. Materials Science and Engineering： A， 2020， 790： 139692.
16	LU C Y， WANG J， ZHANG P Z. Flow behavior analysis and flow stress modeling of Ti17 alloy in β forging process［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2021， 30（10）： 7668-7681.
17	尚丽梅，王春旭，韩顺，等. 基于摩擦-温度双修正的Maraging250钢热变形行为及热加工图［J］. 金属热处理， 2021， 46（5）： 111-117.
	SHANG L M， WANG C X， HAN S， et al. Hot deformation behavior and processing maps of Maraging250 steel based on friction and temperature double correction［J］. Heat Treatment of Metals， 2021， 46（5）： 111-117 （in Chinese）.
18	LI L X， WANG G， LIU J， et al. Flow softening behavior and microstructure evolution of Al-5Zn-2Mg aluminum alloy during dynamic recovery［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2014， 24（1）： 42-48.
19	MOON J， JO H H， HA H Y， et al. Microstructure evolution and hot deformation behavior of 25Cr-6Mn-3Ni-1Mo-3W-0.1C-0.34N lean duplex stainless steel［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2021， 14： 186-194.
20	牛长胜，王艳丽，林均品，等. Fe₃Si基合金的动态再结晶机制［J］. 金属热处理学报， 2003， 24（1）： 28-32， 92.
	NIU C S， WANG Y L， LIN J P， et al. Dynamic recrystallization mechanism of the Fe₃Si based alloy［J］. Transactions of Metal Heat Treatment， 2003， 24（1）： 28-32， 92 （in Chinese）.
21	YU S， WAN Z P， HU L X， et al. Characterization of hot processing parameters of powder metallurgy TiAl-based alloy based on the activation energy map and processing map［J］. Materials & Design， 2015， 86： 922-932.
22	亓耀国，郭子鹏，王兆天，等. Ti-Al-Nb合金的热变形与动态再结晶行为研究［J］. 精密成形工程， 2020， 12（6）： 69-76.
	QI Y G， GUO Z P， WANG Z T， et al. Thermal deformation and dynamic recrystallization of Ti-Al-Nb alloys［J］. Journal of Netshape Forming Engineering， 2020， 12（6）： 69-76 （in Chinese）.
23	QIU Q， WANG K L， LI X， et al. Hot deformation behavior and processing parameters optimization of SP700 titanium alloy［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2021， 15： 3078-3087.
24	曹富荣，崔建忠，丁桦，等. 不同初始组织材料超塑性m值模型与验证［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2015， 47（10）： 50-54.
	CAO F R， CUI J Z， DING H， et al. Modeling them value and its experimental verification during superplasticity of materials with different initial microstructures［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2015， 47（10）： 50-54 （in Chinese）.
25	BOX G E P， WILSON K B. On the experimental attainment of optimum conditions［J］. Journal of the Royal Statistical Society Series B： Statistical Methodology， 1951， 13（1）： 1-38.
26	陈利文，侯华，靳玉春，等. 基于响应面法的铝合金间接挤压铸造工艺研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2018， 47（4）： 1174-1179.
	CHEN L W， HOU H， JIN Y C， et al. Indirect squeeze casting process of aluminum alloy based on response surface method［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2018， 47（4）： 1174-1179 （in Chinese）.
27	豆建新，熊江涛，陈丹，等. 7050铝合金回填式搅拌摩擦点焊组织与性能研究［J］. 精密成形工程， 2019， 11（6）： 81-88.
	DOU J X， XIONG J T， CHEN D， et al. Microstructures and mechanical properties of refill friction stir spot welded 7050 aluminium alloy［J］. Journal of Netshape Forming Engineering， 2019， 11（6）： 81-88 （in Chinese）.
28	WANG J M， LAN S， LI W K. Numerical simulation and process optimization of an aluminum holding furnace based on response surface methodology and uniform design［J］. Energy， 2014， 72： 521-535.
29	SHI C， MAO W， CHEN X G. Evolution of activation energy during hot deformation of AA7150 aluminum alloy［J］. Materials Science and Engineering： A， 2013， 571： 83-91.
30	XIAO Z B， WANG Q， HUANG Y C， et al. Hot deformation characteristics and processing parameter optimization of Al-6.32Zn-2.10Mg alloy using constitutive equation and processing map［J］. Metals， 2021， 11（2）： 360.
31	王兴茂，丁雨田，高钰璧，等. 一种新型Ni-Cr-Co基合金的热变形行为及其组织演变［J］. 稀有金属材料与工程， 2022， 51（1）： 249-259.
	WANG X M， DING Y T， GAO Y B， et al. Hot deformation behavior and microstructure evolution of new-type Ni-Cr-Co based alloy［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2022， 51（1）： 249-259 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

成分	含量/wt%
C	0.08~0.15
Cr	12.0~14.0
Co	12.0~14.0
Mo	4.0~5.5
Ni	2.2~3.5
W	0.8~1.4
V	0.2~0.4
Fe	Bal.

应变速率/s^-1	热变形激活能/（kJ·mol^-1）
应变速率/s^-1	T=850 ℃	T=900 ℃	T=950 ℃	T=1 000 ℃	T=1 050 ℃	T=1 100 ℃	T=1 150 ℃
0.001	310.970 8	324.512 6	304.970 1	316.424 9	358.024 8	372.245 1	313.119 3
0.01	332.221 1	346.688 3	325.810 4	338.048 0	382.490 6	397.682 6	334.516 4
0.1	345.266 0	360.301 2	338.603 5	351.321 7	397.509 4	413.297 9	347.651 4
1	330.178 3	344.556 6	323.807 0	335.969 4	380.138 7	395.237 3	332.459 5

应变速率/s^-1	ln Z
应变速率/s^-1	T=850 ℃	T=900 ℃	T=950 ℃	T=1 000 ℃	T=1 050 ℃	T=1 100 ℃	T=1 150 ℃
0.001	26.398 8	26.367 6	23.085 3	22.989 6	25.641 6	25.702 1	19.558 6
0.01	30.977 4	30.944 1	27.437 4	27.335 2	30.168 5	30.233 1	23.669 8
0.1	34.677 2	34.642 6	30.998 2	30.891 9	33.836 5	33.903 6	27.082 6
1	35.363 8	35.330 7	31.845 6	31.743 9	34.559 8	34.624 0	28.101 1

应变速率/s^-1	m
应变速率/s^-1	T=850 ℃	T=900 ℃	T=950 ℃	T=1 000 ℃	T=1 050 ℃	T=1 100 ℃	T=1 150 ℃
0.001	-1.695 8	1.404 0	2.214 2	0.726 7	0.815 4	4.041 4	-2.238 0
0.01	-0.588 3	0.666 9	1.061 1	0.466 6	0.567 9	1.822 2	-0.654 1
0.1	-0.030 1	0.199 1	0.320 23	0.218 9	0.284 5	0.475 0	0.075 1
1	-0.021 2	0.000 3	-0.008 3	-0.016 4	-0.034 9	-0.000 1	-0.050 5

[1]	徐勇, 尹阔, 夏亮亮, 门向南, 曾一畔, 张士宏. 面向航空铝合金薄壁深腔构件的冲击液压成形工艺优化[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524831-524831.
[2]	王燕, 李书, 许秋怡, 马骏. 复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计[J]. 航空学报, 2016, 37(5): 1512-1525.
[3]	费成巍, 白广忱. 基于DCRSM的HPT叶尖径向运行间隙可靠性分析[J]. 航空学报, 2013, 34(9): 2141-2149.
[4]	赵威, 王伟. 非线性偏最小二乘回归法在均匀设计响应面法中的应用 [J]. 航空学报, 2012, (5): 839-847.
[5]	张军红, 韩景龙, 王晓庆. 具有随机不确定性的机翼颤振优化[J]. 航空学报, 2011, 32(9): 1629-1636.
[6]	姜琬;金海波;孙卫平. 基于多级响应面法的翼梢小翼气动优化设计[J]. 航空学报, 2010, 31(9): 1746-1751.
[7]	吕震宙;杨子政;赵洁. 基于加权线性响应面法的神经网络可靠性分析方法[J]. 航空学报, 2006, 27(6): 1063-1067.
[8]	刘成立;吕震宙. 结构可靠性分析中考虑高次项修正的组合响应面法[J]. 航空学报, 2006, 27(4): 594-599.
[9]	熊俊涛;乔志德;韩忠华. 基于响应面法的跨声速机翼气动优化设计[J]. 航空学报, 2006, 27(3): 399-402.
[10]	郭勤涛;张令弥;费庆国. 用于确定性计算仿真的响应面法及其试验设计研究[J]. 航空学报, 2006, 27(1): 55-61.

基于响应面法的S280超高强度不锈钢的热变形行为

Thermal deformation behavior of S280 ultra-high strength stainless steel based on response surface methodology

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 31

相关文章 10

编辑推荐

Metrics

本文评价