摘 要：该文所研究的N12160合金等温热压实验是在Gleeble-3500热模拟试验机上进行的。获得了N12160合金在应变速率为0.01～5s-1、变形温度为950℃～1200℃条件下的真应力-真应变曲线。该文采用Arrhenius方程描述了该合金的流变应力行为，同时基于动态材料模型(DMM)建立了N12160合金在不同应变量下的热加工图研究。结果表明：在热压缩变形过程中，流变应力随应变速率的增加而增加，随变形温度的增加而减小。根据热加工图以及微观组织观察得出N12160合金适宜热加工区域的变形参数为：ε=0.02～0.6s-1，T=1000℃～1080℃和
N12160合金是一种Ni-Co-Cr-Si高温合金，其特点是抗氧化性高、耐腐蚀性强，同时它的机械性能也较为良好。由于该合金对硫化及其他恶劣高温环境（使用温度可达1200℃）有很好的抵抗能力，主要用于化工、环境治理和核工业等。目前，大多数关于N12160合金的研究都是针对它的腐蚀性进行的，但很少有关于其热变形行为和热加工工艺的研究报道。
该文将对N12160合金进行等温热压缩实验，通过分析该合金在热变形期间流变应力的变化情况，构建合金的本构方程和建立基于动态材料模型（DMM）的加工图。同时以加工图为基础研究了在不同的变形参数下，N12160合金的高温变形特点和组织演变的规律，从而为N12160合金热加工工艺的发展提供合理的参考。
1 实验材料及方法
该文设计的热压缩实验变形温度：950、1000、1050、1100、1150和1200℃，应变速率：0.01、0.1、1.0、3.0、5.0s-1，试样的真应变为0.92。实验所用N12160合金棒料尺寸为Φ8×12mm，成分(质量分数)为：Co28.47%、Cr28.02%、Si2.82%、Fe1.49%、Ti0.58%、Mn0.439%，剩余为Ni。该实验在真空下进行，为了使试样内部温度能够一致，将试样以5℃/s的加热速度加热至所需的温度并保温3min，然后压缩。热压缩结束后，立即将其通过水冷的方式冷却至室温。对压缩后的试样切割、研磨、抛光后侵蚀，然后放在金相显微镜下观察其变形后的微观组织。
2 实验的结果和分析
2.1 N12160合金真应力-真应变曲线
N12160合金在不同变形条件下的真应力-真应变曲线如图1所示。从图中可以看出，由于在变形的初始阶段加工硬化的作用，N12160合金的流变应力都呈现出快速上升的现象。随着变形量的增加，此时合金发生了动态再结晶，当硬化速率与软化速率一致时，该合金的流变应力达到峰值。随着合金压缩量的继续增大，应力逐渐降低直至稳定。比较同一温度不同应变速率下的流变应力可以得出：流变应力随着应变速率的增加而增加。而在相同的应变速率下，流变应力随着变形温度的增加而减小。
2.2 N12160合金热压缩变形流变本构方程
人们通过建立流变应力与应变速率、变形温度、变形量等热加工参数之间的函数关系即本构模型，来描述金属的高温变形行为，它表征了金属材料变形中的动态响应[1-2]。该文将通过Arrhenius函数来构建N12160合金的本构方程。
图1 N12160合金不同应变速率下的真应力-真应变曲线
/s-1：(a)0.01；(b)0.1；(c)1.0；(d)3.0；(e)5.0；
低应力水平(ασ<0.8)时：
高应力水平(ασ>1.2)时：
在分析了式(1)和(2)的局限性后，该实验采用了包含热变形激活能Q和变形温度T的双曲正弦函数修正的Arrhenius关系[3]，即：
分别对公式(1)(2)和(3)取对数，可得：
将所需峰值应力(σ)和应变速率(ε)带入式(4)中，然后利用绘图软件线性拟合求得各关系式的斜率，分别取平均值可得β=0.03684，n=5.58027，n1=3.53647（见图2）。根据关系式α=β/n，最终得到α=0.0066。
对式(3)求导可得：
通过图3可获得斜率平均值为7.57，再将前面所得n1带入(5)式，计算得到热变形激活能Q=222.5747kJ/mol。
Zener-Hollomon(Z)参数模型，它将应力与温度和应变速率联系起来，描述了变形温度与应变速率的关系[4-5]。如公式(6)所示。
将相应参数带入式(7)中，得到不同温度下的lnZ值。线性拟合lnZ-ln[sinh(ασ)]得到图4，求出斜率和截距，取平均值可求得n'=3.19122，A=3.74×109。所求得的n1值与n'值误差在10%以内，所以表明可以用Z参数来表征N12160合金本构方程。
将前面所得参数值带入式(3)，得出N12160合金流变应力本构方程为：
2.3 N12160合金加工图的构建
2.3.1 加工图理论
当材料在热变形时，加工图能够反映在不同变形温度和应变速率下材料的高温变形机制，它为材料的可加工性提供了理论基础[6]。DMM(Dynamic Materials Model)方法即动态材料模型，最早由Prasad等[7]提出并应用于材料热加工性的研究。
图2 应变速率与峰值应力的关系
图3 ln[sinh(ασ)]-1/T曲线
式中，G为合金塑性变形期间消耗的能量，J为组织演变消耗的能量，G与J的和值即为合金从外部获得的总能量P。m用于表征参数J与G的比值，是材料在塑性变形过程中流变应力对于应变速率的敏感性参数[8]：
材料热变形过程中，参数η可以用于描述由于组织结构变化引起的功率耗散效率，其值反映了组织的动态变化[9]。
Ziegler[10]提d到了将不可逆热力学的极大值原理应用于大应变塑性变形中，进而推导出保持塑性流变稳定的微商不等式：
当满足不等式时，材料将出现变形失稳。Prasad等以Ziegler提出的加工失稳判据为基础，按照DMM模型原理，当D和协变量J相等时，推导出了材料流变失稳区域的计算公式：
图4 Z参数与流变应力之间的关系
图5 N12160合金在真应变(ε)为0.92所对应的DMM加工图
2.3.2 N12160合金热加工图及分析
采用三次多项式拟合lnσ与的关系参数，按上述公式计算可以获得合金在不同的加工参数下的功率耗散效率η和稳定性函数该文利用Matlab软件编写程序，先绘制出
小于零的区域即变形失稳区，后绘制了材料功率耗散图。然后将它们重叠在一起便得到了该合金的热加工图。图5即为N12160合金在真应变(ε)为0.92所对应的加工图。
如图5所示，阴影部分为流变失稳区，其余部分是稳定的变形区。等值线上的数表示的是功率耗散系数η的大小，它能表示该区域合金加工性能的好坏，η越大的区域,就表示合金在此参数下的加工性能就越好，但也有特殊情况，如图中右下阴影区域内所示，在变形失稳区η也可能很高，所以材料加工时不能一昧地追求η值的大小，应分清是否处于流变失稳区。从图5可以看出N12160合金在T：950℃～1200℃、条件下主要存在3个大的流变失稳区和2个小流变失稳区。其中在1055℃/0.015s-1区域颜色较深，说明这里的组织在热加工时最容易发生失稳，应注意避免。为了做进一步研究，该实验在3个大的流变失稳区内分别取了一个位置进行组织金相分析，工艺参数分别为：950℃/0.1s-1、1100℃/3s-1、1150℃/0.1s-1。同时在稳定区域内也选取了一个位置：1050℃/0.1s-1。
图6 流变失稳区(a,b,c)和稳定区(d)的显微组织
从图6(a)可以看出N12160合金在T=950℃，时，存在沿压缩轴方向大约45°的再结晶密集区，同时从图1(b)也可以看出在此工艺参数下，N12160合金真实应力-应变曲线存在一个骤降的区域。这可能是由于在此工艺参数下塑性变形生成的变形热没有快速的传递到其他温度比较低的区域，从而导致了合金在该区域温度过高，引起了局部大变形。同时发生动态再结晶，大量细小的晶粒出现，组织内部出现绝热剪切带。图6(b)可以看出1100℃/3s-1条件下的组织比较粗大，且表现为拉长的状态，同时有大量极其细小的再结晶晶粒在粗大晶界处出现，从图片可以看出，其形式类似于“项链状”。分析组织情况可以判断该变形区内的组织均匀性比较差，比较容易导致合金机械失稳。图6(c)可以看出该区域有几处晶粒相对于其他地方大很多，同时这些粗大的组织也被拉的很长，而且在晶界处也存在一些细小的再结晶晶粒，所以这样的组织形态均匀性较差，容易引起合金机械失稳。图6(d)为1050℃/0.1s-1参数下的微观组织形态，可以看出晶粒尺寸比较细小且呈等轴状，在加工图中相对应的能量耗散系数约为36，属高能量耗散峰区的组织，且组织大小较为均匀。通过上述加工图和组织的分析可以得出N12160合金适宜加工区域为：
T=1080℃～1200℃。
3 结语
N12160合金热压缩变形期间，存在动态再结晶和动态回复现象。合金的流变应力经历了两个阶段：第一阶段是合金流变应力快速上升到峰值。第二阶段是合金流变应力在上升到峰值之后逐渐减小直至平稳状态。结合不同参数下的流变应力得到：当变形温度不变时，合金的流变应力随应变速率的增大而增大；当应变速率不变时，合金的流变应力随变形温度的增大而减小。
基于(ε)为0.92时的流变应力和Z参数，得出了N12160合金热变形激活能为222.5747kJ/mol，并且建立了N12160合金的热变形本构方程：exp(222574.7/RT)。结合热加工图及微观组织观察得出，N12160合金适宜的热加工参数为：T=1000℃～1080℃，
文章引用：蔡增,董洪波,王喆鑫.N12160高温合金热压缩变形行为和加工图[J].科技资讯,2020,18(02):56-60.DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2020.02.056.
