高強(qiáng)高韌低合金馬氏體鋼的靜態(tài)軟化行為

趙艷君１,孟慶雪２,馬本莉１,曾建民１,蔣長標(biāo)１

(１．廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南寧５３０００４;２．邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,邯鄲０５６０１５)

摘要:以新開發(fā)的高強(qiáng)高韌２０SiMn３NiA 低合金馬氏體鋼為研究對象,用熱模擬試驗機(jī)對其在９００~１０００℃進(jìn)行了雙道次壓縮,應(yīng)變速率為１．０s－１,道次間隔時間為１~１００s,研究了其靜態(tài)軟化行為.結(jié)果表明:當(dāng)變形溫度為９００℃時,隨著道次間隔時間的延長,試驗鋼在第二道次變形時的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線由動態(tài)再結(jié)晶型(軟化趨勢大于硬化趨勢)變?yōu)殪o態(tài)再結(jié)晶型(硬化趨勢大于軟化趨勢),靜態(tài)再結(jié)晶率由道次間隔時間為１s時的６．４８％增至穩(wěn)定值８５％;當(dāng)變形溫度為１０００℃時,其第二道次變形時的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線均為靜態(tài)再結(jié)晶型,靜態(tài)再結(jié)晶率由道次間隔時間為１s時的８４．４８％增至１００s時的９６％;試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶激活能為４４８kJ??mol－１.

關(guān)鍵詞:雙道次壓縮;靜態(tài)再結(jié)晶;激活能;馬氏體鋼

中圖分類號:TG１４２．２４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０４Ｇ００２４Ｇ０５

０ 引 言

高強(qiáng)度低 合 金 鋼 因 合 金 含 量 較 低(合 金 元 素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在５％左右),可在成本增加很小的情況下獲得較 高 強(qiáng) 度 與 韌 性 的 合 理 匹 配.其 中,低 碳馬氏體合金 鋼 是 一 種 典 型 的 高 強(qiáng) 度 低 合 金 鋼,其在淬火后再 進(jìn) 行 低 溫 回 火 處 理,通 常 靠 馬 氏 體 相變和回火析出的εＧ碳化物達(dá)到高 強(qiáng) 度[１－２].低 碳馬氏體合金鋼中普遍含有較多的合金元素鎳、鉻、

釩、鉬,這些 合 金 元 素 價 格 較 高.為 了 降 低 成 本,作者以我國 資 源 豐 富 的 廉 價 錳、硅 為 主 要 合 金 元素,而僅加入少量昂貴的鎳,開發(fā)出一種新型高強(qiáng)度低合金馬氏體鋼(牌號為２０SiMn３NiA),此鋼的抗 拉 強(qiáng) 度Rm 不 小 于１５００ MPa,沖 擊 功Akv 不 小于８５J,具有很好的強(qiáng)韌性匹配[３－４].２０SiMn３NiA鋼可承受不連續(xù)、高速循環(huán)往復(fù)碰撞,主要應(yīng)用在服役條件苛刻的鐵路維護(hù)用搗鎬類零件上.

在鍛造與熱軋加工過程中,鋼在奧氏體區(qū)加熱變形后,晶粒內(nèi)部存儲了一定的變形能,鋼處于較高的能量狀態(tài).由于鍛造與軋制變形通常都是多道次的,在前一道次變形后,其隨后道次的升溫及保溫過程中,鋼內(nèi)部加工硬化的組織在道次間隔期間將發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,釋放儲存的變形能.這種回復(fù)與再結(jié)晶會影響鋼在高溫變形過程中的成形性和變形抗力,并影響其后的相變過程及相變產(chǎn)物.為了研究２０SiMn３NiA 鋼在熱變形后升溫、保溫時間里的再結(jié)晶行為,達(dá)到控制工藝參數(shù),進(jìn)而控制其顯微組織及性能的目的,作者利用 Gleeble１５００型熱模擬試驗機(jī)對該鋼進(jìn)行了雙道次壓縮(前后兩道次的變形溫度相同)變形試驗,研究了其在熱變形過程間歇時間內(nèi)的靜態(tài)軟化行為,為制定合理的熱加工工藝提供試驗依據(jù).

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

試驗材料為自制２０SiMn３NiA 鋼,化學(xué)成分見表１.該鋼采用真空感應(yīng)爐冶煉,澆鑄成錠,經(jīng)十字鍛造成材,鍛后緩冷,再經(jīng)６８０ ℃保溫４h的退火處理,然后在８６０℃保溫３０min進(jìn)行正火處理.試驗鋼的 尺 寸 為 ５５ mm×１５０ mm×６５０ mm,在其上加工出尺寸為?８mm×１５mm 的壓縮試樣.

１．２ 試驗方法

在 Gleeble１５００型熱模擬機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗,將鉑Ｇ銠熱電偶焊接在試樣的半高外表面處以測量溫度.為減小試樣溫度的不均勻性及與壓頭之間的摩擦和黏接,在試樣與壓頭之間放置了石墨鉭箔.前后兩道次變形溫度相同的雙道次壓縮工藝如下:先將試樣以１０ ℃??s－１的速率加熱至１１００ ℃,保溫３min使其充分奧氏體化,然后以５ ℃??s－１的速率冷卻至變形溫度(分別為９００,９５０,１０００ ℃),保溫３０s后進(jìn)行第一道次壓縮,變形量為３０％,應(yīng)變速率為１．０s－１;間隔一定時間(分別為１,５,１０,５０,１００s)后進(jìn)行第二道次壓縮,變形量為３０％,應(yīng)變速率為１．０s－１.壓縮試驗結(jié)束后立即對試樣進(jìn)行淬火,以保留高溫變形組織.用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕后,在 LeicaDMR 型正置式廣視野光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 道次間隔時間對顯微組織的影響

由 圖１和 圖２可 以 看 出 ,在９００,１０００ ℃ 以 及不同道次間隔時間下變形后,試驗鋼的顯微組織均為板條馬氏體;道次間隔時間為１,５s時,板條馬氏體相對細(xì)小,而道次間隔時間為１０,５０,１００s時,板條馬氏體 相 對 粗 大.在 相 同 的 道 次 間 隔 時 間 下,１０００ ℃變形后的顯微組織比９００ ℃變形后的顯微組織粗大.這是由于在較高的變形溫度下,晶粒的靜態(tài)再結(jié)晶在較短的時間內(nèi)就可以基本完成,隨著道次間隔時間的延長,晶粒再結(jié)晶后發(fā)生了晶粒長大,淬火后得到的板條馬氏體也相對粗大.圖３ 在９００ ℃、不同道次間隔時間下變形時試驗鋼的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線。

Fig．３ TruestressＧtruestraincurvesfortestedsteelduring

deformationat９００ ℃ andvariouspassintervals

２．２ 道次間隔時間及變形溫度對流變應(yīng)力的影響

從圖３中可以看出,當(dāng)變形溫度為９００℃,道次間隔時間由１s延長到１００s時,第二道次變形時試驗鋼的流變應(yīng)力逐漸降低.當(dāng)?shù)来伍g隔時間為１s和５s時,隨著第二道次應(yīng)變量的增加,試驗鋼的真應(yīng)力先增加到一個峰值后(與第一道次應(yīng)力接近)再降低,此時的第二道次真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線為動態(tài)再結(jié)晶型(即軟化趨勢大于硬化趨勢)曲線,說明在第二道次的變形過程中伴隨著動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生.這主要是因為道次間隔時間比較短,靜態(tài)再結(jié)晶來不及進(jìn)行,晶粒內(nèi)部還儲存大量的形變能,在第二道次變形過程中,這些形變能達(dá)到一定程度時,晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶.而當(dāng)間隔時間在１０s以上時,隨著第二

道次應(yīng)變量的增加,試驗鋼的真應(yīng)力增加到一個峰值而后趨于平穩(wěn),第二道次真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線均呈靜態(tài)再結(jié)晶型(即硬化趨勢大于軟化趨勢)且比１~５s的低,這是因為道次間隔時間比較長,晶粒有足夠的時間發(fā)生并完成靜態(tài)再結(jié)晶[５－６].

圖４ 在１０００ ℃、不同道次間隔時間下變形時試驗鋼的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線

Fig．４ TruestressＧtruestraincurvesfortestedsteelduring

deformationat１０００ ℃ andvariouspassintervals

由圖４可知,在１０００ ℃變形時,隨著道次間隔時間從１s延長到１００s,試驗鋼在第二道次壓縮時流變應(yīng)力呈先升高后平緩的變化趨勢;與９００ ℃變形時不同的是,第二道次流變應(yīng)力比第一道次有明顯的降低,但第二道次的各真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線幾乎重合在一起,難以區(qū)分.這是因為變形溫度較高,在很短的道次間隔時間下,試驗鋼中的靜態(tài)再結(jié)晶也進(jìn)行得比較充分,所以第二道次的流變應(yīng)力與道次間隔時間較長時的流變應(yīng)力相差不大.

２．３ 靜態(tài)再結(jié)晶率

如果試驗鋼中靜態(tài)再結(jié)晶能完全進(jìn)行,則第二道次的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線和第一道次的應(yīng)該完全重合;如果不存在靜態(tài)再結(jié)晶,則第二道次真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線的起始應(yīng)力和第一道次卸載時應(yīng)力重合.而實際的靜態(tài)再結(jié)晶行為介于上述兩個極端現(xiàn)象之間[７－９].

作者采用后插法計算靜態(tài)軟化率,后插法在計算軟化率的過程中剔除了變形后靜態(tài)回復(fù)產(chǎn)生的軟化,該法得到的靜態(tài)軟化率與實際靜態(tài)再結(jié)晶率 Xs比較接近[７].由圖５可見,將第一道次真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線向第二道次的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線移動,使其部分重合,得到平移曲線與第一道次壓縮試驗卸載曲線的交點對應(yīng)的應(yīng)力σr[８－９],則靜態(tài)再結(jié)晶率 Xs可以表示為:

式中:σm 為第一道次加載結(jié)束時的應(yīng)力,MPa;σ０ 為第一道次變形時的屈服應(yīng)力,MPa.

通常認(rèn)為 Xs 為 ０．１５~０．２０ 時開始發(fā)生再結(jié)晶,當(dāng) Xs＝０．９０時完成再結(jié)晶.根據(jù)式(１)計算出不同溫度和道次間隔時間下試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶率.由圖６可見,隨著變形溫度的升高和道次間隔時間的延長,試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得越發(fā)完全.當(dāng)?shù)来伍g隔時間為１s,在變形溫度為９００,９５０℃下變形后試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶率較小,分別約為６．４８％,７．４３％,而在１０００ ℃下變形后的靜態(tài)再結(jié)晶率達(dá)到了８４．４８％,靜態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)接近完全.當(dāng)?shù)来伍g隔時間為１００s時,在９００,９５０,１０００ ℃下變形后試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶率相差不大,這主要是因為在較長的道次間隔時間下,靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得比較充分,已經(jīng)接近完成.當(dāng)保溫時間足夠長時,靜態(tài)再結(jié)晶率可接近１００％.

此外,在１０００ ℃下還進(jìn)行了道次間隔時間為０．１s的雙道次壓縮試驗,計算得到的靜態(tài)再結(jié)晶率為７．４３％,這說明了變形溫度較高時,只需要較短的時間,就能達(dá)到與變形溫度較低、道次間隔時間較長時一樣的軟化效果.因而變形溫度是影響試驗鋼發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的主要因素.在其他條件一定的情況下,變形溫度越高,試驗鋼屈服應(yīng)力越低,形變能越大,再結(jié)晶的驅(qū)動力也越大,再結(jié)晶速率加快.溫度對再結(jié)晶形核和晶粒長大速率的影響均呈指數(shù)關(guān)系.而隨著變形溫度的降

低,晶粒再結(jié)晶的難度加大,當(dāng)變形溫度降低到一定程度時,靜態(tài)再結(jié)晶行為將可能不會發(fā)生.

２．４ 靜態(tài)再結(jié)晶激活能

鋼的化學(xué)成分對其靜態(tài)再結(jié)晶行為有顯著的影響,這種影響主要是通過化學(xué)成分對激活能 Qrec的影響來實現(xiàn)的.因此,２０SiMn３NiA 鋼作為新開發(fā)的鋼種,計 算 其 激 活 能 是 很 有 必 要 的.靜 態(tài) 再結(jié)晶 率 達(dá) 到 ５０％ 的 時 間t０．５ 可 按 照 式 (２)[１０－１１]確定:

式中:ε為應(yīng)變;ε?? 為應(yīng)變速率,s－１;R 為氣體常數(shù),J??K－１??mol－１;T 為 熱 力 學(xué) 溫 度,K;A,p,q 均 為

常數(shù).對式(２)兩邊取對數(shù)可得到式(３).

已有 的 研 究 結(jié) 果[１２－１３]表 明,Qrec與 變 形 條 件(ε,ε??,T)基本無關(guān).因此對于某一種鋼,lnt０．５ 與１/T 呈 線 性 關(guān) 系,直 線 斜 率 為 Qrec/R.根 據(jù) 圖 ６可得到不同溫度下的t０．５,進(jìn)而得到試驗鋼的lnt０．５和１/T 的關(guān)系曲線,如圖７所示.對圖７數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸 分 析,得 到 試 驗 鋼 的 靜 態(tài) 再 結(jié) 晶 激 活能為４４８kJ??mol－１.

３ 結(jié) 論

(１)２０SiMn３NiA 鋼 在 ９００ ℃ 進(jìn) 行 不 同 道 次間隔時間的雙道次壓縮時,當(dāng)?shù)来伍g隔時間為１s和５s時,其 第 二 道 次 變 形 時 的 真 應(yīng) 力Ｇ真 應(yīng) 變 曲線為動態(tài)再結(jié)晶型,道次間隔時間為１s時的靜態(tài)再結(jié)晶率為６．４８％;當(dāng)?shù)来伍g隔時間大于１０s時,其第二道次變形時的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線為靜態(tài)再結(jié)晶型,靜態(tài)再結(jié)晶率趨于穩(wěn)定,為８５％.

(２)２０SiMn３NiA 鋼在１０００ ℃進(jìn)行不同道次間隔時間的雙道次壓縮時,當(dāng)?shù)来伍g隔時間從１s延長到１００s時,其 第 二 道 次 變 形 時 的 真 應(yīng) 力Ｇ真應(yīng)變曲線均為靜態(tài)再結(jié)晶型;道次間隔時間為１,１００s時的靜態(tài)再結(jié)晶率分別為８４．４８％,９６％.

(３)２０SiMn３NiA 鋼 的 靜 態(tài) 再 結(jié) 晶 激 活 能 為４４８kJ??mol－１.