阐明高沉积速率通过层厚对无润滑剂双棒添加剂摩擦搅拌沉积Al-Mg-Si工艺结构与性能关系的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Elucidating the Influence of High Deposition Rate Via Layer Height on Process Structure Property Relationships of Lubricant Free Twin-Rod Additive Friction Stir Deposition of Al-Mg-Si

研究对比了Cr-Cu-Ni钢与C-Mn钢在800-1200°C、0.1-10 s?1条件下的热变形行为，建立Arrhenius本构模型（Q=293.348 kJ/mol，R2=0.982），发现合金元素提高变形抗力，但应变速率增加时两者峰值应力差异缩小至10%以内。优化热加工参数为1090-1200°C、0.4-1.8 s?1，与U71Mn实际锻造参数一致。

　　### 钢轨材料热变形行为研究

在现代铁路系统中，钢轨的性能直接影响列车运行的安全性和稳定性。为了提升钢轨在复杂环境下的服役性能，研究人员对一种新型Cr-Cu-Ni钢轨钢与传统C-Mn钢轨钢的热变形行为进行了系统性研究。研究采用了Gleeble-1500热模拟系统，通过等温压缩流变曲线，分析了在800°C至1200°C温度范围内、应变率从0.1 s?1到10 s?1条件下，两种钢轨钢的力学响应特征。研究结果表明，在相同的变形条件下，Cr-Cu-Ni钢轨钢的应力值略高于C-Mn钢轨钢，但两者在应变率和温度变化下表现出相似的应力-应变曲线形态。这种差异主要源于合金元素的添加，其增强了钢的变形阻力，同时影响了材料的热变形行为。

### 热加工工艺对钢轨性能的影响

在铁路轨道设计中，可动心轨辙叉是关键部件之一，其功能在于消除因轨道中断而产生的危险空间，从而提高列车运行的平顺性以及允许的通过速度，延长辙叉的使用寿命。可动心轨辙叉主要由翼轨、长心轨和短心轨组成，其中长心轨通常采用AT轨制造。由于AT轨的截面尺寸与标准轨存在显著差异，为了实现安全且平滑的过渡，心轨的根部通常采用热锻工艺进行加工。通过热锻，可以有效控制材料的组织结构，使其在合适的温度范围内具备良好的可锻性。热锻过程中，材料的变形温度和加载速度是两个关键因素，它们不仅决定了材料的塑性表现，还间接影响最终产品的质量。

在热锻过程中，提高坯料温度可以显著降低材料的变形阻力，提升其塑性。同时，模具的加载速度会影响热锻温度、压强以及等效应力，进而对材料的组织演变产生影响。因此，在选择热锻工艺参数时，需要综合考虑温度和速度对材料变形行为的影响。对于新型Cr-Cu-Ni钢轨钢，研究发现其热变形激活能为293.348 kJ/mol，显示出良好的热加工性能。研究还构建了热加工图，通过分析材料在不同应变下的能量耗散效率和不稳定区域，明确了Cr-Cu-Ni钢轨钢在1090°C至1200°C温度范围和0.4 s?1至1.8 s?1应变率条件下具有最佳的热加工性能，这一范围与U71Mn钢轨的实际锻造参数基本一致。

### 合金元素对热变形行为的影响

Cr、Cu和Ni等合金元素的添加显著改变了钢轨钢的热变形行为。Cr主要通过固溶强化和抑制动态再结晶（DRX）来提升材料的变形阻力，而Cu则通过细小的析出相钉扎位错和晶界，从而增强材料的强度。Ni则通过稳定奥氏体相并细化转变产物，提升材料的延展性。这些合金元素的协同作用使得Cr-Cu-Ni钢轨钢在热变形过程中表现出更优的性能，同时也使得其热变形激活能略高于传统C-Mn钢轨钢。

在研究中，通过分析不同温度和应变率下的应力-应变曲线，发现Cr-Cu-Ni钢轨钢的峰值应力与C-Mn钢轨钢的峰值应力在900°C至1200°C温度范围内差异较小，通常不超过10%。然而，在较低的应变率（如0.1 s?1）和较低的温度（如800°C）下，两者的应力差异更为明显，约为15%。随着应变率的增加，峰值应力的差异逐渐减小，两者在热变形过程中的行为趋于一致。这表明，在高温和高速变形条件下，合金元素的强化作用被有效平衡，从而使得材料的热变形行为更加稳定。

### 热加工图的构建与分析

热加工图是评估材料热变形行为的重要工具，它通过叠加能量耗散图和不稳定区域图，帮助确定材料的最佳加工参数。研究中构建的热加工图显示，在不同的应变条件下，Cr-Cu-Ni钢轨钢的热加工区域与C-Mn钢轨钢相比更加集中，且其不稳定区域主要位于较低温度区域。在应变率为0.4 s?1至1.8 s?1、温度为1090°C至1200°C的范围内，Cr-Cu-Ni钢轨钢表现出较高的能量耗散效率，表明其在此条件下的热加工性能最佳。

此外，研究还发现，在较低的应变率和较高的温度下，材料的动态再结晶现象更为明显。动态再结晶是热变形过程中一种重要的软化机制，能够有效缓解材料在变形过程中的硬化效应，从而降低应力水平。然而，随着温度的升高，动态再结晶的晶粒尺寸也会增加，导致材料的强度和塑性发生变化。因此，在热加工过程中，需要合理控制温度和应变率，以避免晶粒粗化或出现其他不利的组织演变现象。

### 构建热变形本构方程

为了更准确地描述材料的热变形行为，研究中采用了Arrhenius本构模型，并基于实验数据建立了相应的本构方程。该模型能够有效关联应变率、流变应力和温度之间的关系，尤其适用于高温变形条件。通过实验数据的线性拟合，研究获得了Cr-Cu-Ni钢轨钢的本构参数，包括n?=6.68258、n=4.61651、A=2.966×1011和Q=293.348 kJ/mol。这些参数被代入本构方程，用于预测材料在不同变形条件下的流变应力。

研究进一步验证了本构方程的准确性，发现其与实验测量值之间的相关系数R2达到0.982，表明该模型能够很好地描述Cr-Cu-Ni钢轨钢的热变形行为。此外，模型的平均绝对相对误差（AARE）仅为4.9%，进一步证明了其可靠性。这一结果对于优化热加工工艺参数、提升钢轨质量具有重要意义。

### 动态再结晶的微观机制

动态再结晶是热变形过程中一种重要的软化机制，其微观机制涉及位错的重新排列和晶界的迁移。在热变形过程中，材料内部的位错密度增加，导致应力集中。然而，当材料处于高温条件时，动态再结晶会通过形成新的细小晶粒，缓解应力集中现象，从而提升材料的塑性和延展性。研究中通过显微组织观察，发现Cr-Cu-Ni钢轨钢在800°C和1 s?1的变形条件下，表现出明显的动态再结晶现象，形成了所谓的“项链”结构。

随着变形温度的升高，动态再结晶的晶粒尺寸也相应增大，这表明在高温条件下，材料的再结晶行为更为活跃。然而，过高的温度可能导致晶粒粗化，降低材料的机械性能。因此，在热加工过程中，需要在合适的温度范围内进行操作，以确保材料的组织结构和性能达到最佳状态。此外，Cu和Ni的析出相在动态再结晶过程中起到了重要的钉扎作用，抑制了晶粒的过度生长，从而提升了材料的热稳定性。

### 热加工参数的优化与实际应用

在实际生产中，钢轨的热加工参数需要根据材料的性能特点进行优化。对于Cr-Cu-Ni钢轨钢，研究发现其最佳热加工温度范围为1090°C至1200°C，对应的应变率为0.4 s?1至1.8 s?1。这一范围与U71Mn钢轨的实际锻造参数基本一致，表明该新型钢轨钢在热加工性能上具有良好的适应性。

然而，在实际应用中，还需要注意温度和应变率的合理控制。如果加热温度过高，可能导致材料出现过热或过烧现象，影响其最终的组织结构和机械性能。反之，如果加热温度过低，则可能导致材料在后续变形过程中出现严重的加工硬化，甚至引发断裂。因此，在热加工过程中，需要确保关键部位的温度不低于850°C，以维持材料的可塑性和加工性能。

### 结论

本研究通过实验和理论分析，揭示了Cr-Cu-Ni钢轨钢与C-Mn钢轨钢在热变形行为上的差异。结果表明，Cr-Cu-Ni钢轨钢在相同的变形条件下，其峰值应力略高于C-Mn钢轨钢，但两者在热变形过程中表现出相似的应力-应变曲线形态。随着应变率的增加，两者的流变曲线差异逐渐减小，峰值应力趋于一致。此外，研究还构建了Arrhenius本构模型，并验证了其在预测Cr-Cu-Ni钢轨钢热变形行为方面的有效性。

热加工图的构建进一步明确了Cr-Cu-Ni钢轨钢的热加工性能。在1090°C至1200°C的温度范围和0.4 s?1至1.8 s?1的应变率条件下，材料表现出较高的能量耗散效率和良好的加工性能。这表明，该新型钢轨钢在热加工过程中具有较大的应用潜力，特别是在需要高耐腐蚀性和低温韧性的铁路环境中。

综上所述，本研究为优化钢轨的热加工工艺提供了重要的理论依据和实验数据支持。通过合理选择温度和应变率，可以有效提升Cr-Cu-Ni钢轨钢的服役性能，满足现代铁路系统对高性能材料的需求。