高強(qiáng)高韌低合金馬氏體鋼的靜態(tài)軟化行為

以新開發(fā)的高強(qiáng)高韌20SiMn3NiA 低合金馬氏體鋼為研究對(duì)象,用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)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(shí)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(shí),隨著道次間隔時(shí)間的延長(zhǎng),試驗(yàn)鋼在第二道次變形時(shí)的真應(yīng)力G真應(yīng)變曲線由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型(軟化趨勢(shì)大于硬化趨勢(shì))變?yōu)殪o態(tài)再結(jié)晶型(硬化趨勢(shì)大于軟化趨勢(shì)),靜態(tài)再結(jié)晶率由道次間隔時(shí)間為1s時(shí)的6.48%增至穩(wěn)定值85%;當(dāng)變形溫度為1000 ℃時(shí),其第二道次變形時(shí)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(shí)間為1s時(shí)的84.48%增至100s時(shí)的96%;試驗(yàn)鋼的靜態(tài)再結(jié)晶激活能為448kJ??mol-1.

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?？狂R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(jià)格較高.為了降低成本,作者以我國(guó)資源豐富的廉價(jià) 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(hào)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(chǔ)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(chǔ)存的變形能.這種回復(fù)與再結(jié)晶會(huì)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 鋼在熱變形后溫、保溫時(shí)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(yàn)機(jī)對(duì)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(yàn),研究了其在熱變形過程間歇時(shí)間內(nèi)的靜態(tài)軟化行為,為制定合理的熱加工工藝

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)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.提供試驗(yàn)依據(jù).

試驗(yàn)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(yàn)方法

在 Gleeble1500型熱模擬機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn),將鉑G銠熱電偶焊接在試樣的半高外表面處以測(cè)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(shí)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(yàn)結(jié)束后立即對(duì)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 道次間隔時(shí)間對(duì)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(shí)間下變形后,試驗(yàn)鋼的顯微組織均為板條馬氏體;道次間隔時(shí)間為1,5s時(shí),板條馬氏體相對(duì)細(xì)小,而道次間隔時(shí)間為10,50,100s時(shí),板條馬氏體 相 對(duì) 粗 大.在 相 同 的 道 次 間 隔 時(shí) 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(shí)間內(nèi)就可以基本完成,隨著道次間隔時(shí)間的延長(zhǎng),晶粒再結(jié)晶后發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大,淬火后得到的板條馬氏體也相對(duì)粗大.

2.2 道次間隔時(shí)間及變形溫度對(duì)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(shí)間由1s延長(zhǎng)到100s時(shí),第二道次變形時(shí)試驗(yàn)鋼的流變應(yīng)力逐漸降低.當(dāng)?shù)来伍g隔時(shí)間為1s和5s時(shí),隨著第二道次應(yīng)變量的增加,試驗(yàn)鋼的真應(yīng)力先增加到一個(gè)峰值后(與第一道次應(yīng)力接近)再降低,此時(shí)的第二道次真應(yīng)力G真應(yīng)變曲線為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型(即軟化趨勢(shì)大于硬化趨勢(shì))曲線,說明在第二道次的變形過程中伴隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生.這主要是因?yàn)榈来伍g隔時(shí)間比較短,靜態(tài)再結(jié)晶來不及進(jìn)行,晶粒內(nèi)部還儲(chǔ)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(shí),晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.而當(dāng)間隔時(shí)間在10s以上時(shí),隨著第二

道次應(yīng)變量的增加,試驗(yàn)鋼的真應(yīng)力增加到一個(gè)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(shì)大于軟化趨勢(shì))且比1~5s的低,這是因?yàn)榈来伍g隔時(shí)間比較長(zhǎng),晶粒有足夠的時(shí)間發(fā)生并完成靜態(tài)再結(jié)晶[5-6].

時(shí)間從1s延長(zhǎng)到100s,試驗(yàn)鋼在第二道次壓縮時(shí)的流變應(yīng)力呈先升高后平緩的變化趨勢(shì);與900 ℃變形時(shí)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?yàn)樽冃螠囟容^高,在很短的道次間隔時(shí)間下,試驗(yàn)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(shí)間較長(zhǎng)時(shí)的流變應(yīng)力相差不大.

2.3 靜態(tài)再結(jié)晶率

如果試驗(yàn)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(shí)應(yīng)力重合.而實(shí)際的靜態(tài)再結(jié)晶行為介于上述兩個(gè)極端現(xiàn)象之間[7-9].

作者采用后插法計(jì)算靜態(tài)軟化率,后插法在計(jì)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(shí)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(dòng),使其部分重合,得到平移曲線與第一道次壓縮試驗(yàn)卸載曲線的交點(diǎn)對(duì)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(shí)的應(yīng)力,MPa;σ0 為第一道次變形時(shí)的屈服應(yīng)力,MPa.

通常認(rèn)為 Xs 為 0.15~0.20 時(shí)開始發(fā)生再結(jié)晶,當(dāng) Xs=0.90時(shí)完成再結(jié)晶.根據(jù)式(1)計(jì)算出不同溫度和道次間隔時(shí)間下試驗(yàn)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(shí)間的延長(zhǎng),試驗(yàn)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(shí)間為1s,在變形溫度為900,950℃下變形后試驗(yàn)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(shí)間為100s時(shí),在900,950,1000 ℃下變形后試驗(yàn)鋼的靜態(tài)再結(jié)晶率相差不大,這主要是因?yàn)樵谳^長(zhǎng)的道次間隔時(shí)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(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),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(shí)間為0.1s的雙道次壓縮試驗(yàn),計(jì)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(shí),只需要較短的時(shí)間,就能達(dá)到與變形溫度較低、道次間隔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)一樣的軟化效果.因而變形溫度是影響試驗(yàn)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(yàn)鋼屈服應(yīng)力越低,形變能越大,再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大,再結(jié)晶速率加快.溫度對(duì)再結(jié)晶形核和晶粒長(zhǎng)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(shí),靜態(tài)再結(jié)晶行為將可能不會(huì)發(fā)生.

2.4 靜態(tài)再結(jié)晶激活能

鋼的化學(xué)成分對(duì)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(duì)激活能 Qrec的影響來實(shí)現(xiàn)的.因此,20SiMn3NiA 鋼作為新開發(fā)的鋼種,計(jì)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(shí)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) 度,K;A,p,q 均 為

常數(shù).對(duì)式(2)兩邊取對(duì)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(duì)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(yàn)鋼的lnt0.5和1/T 的關(guān)系曲線,如圖7所示.對(duì)圖7數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸 分 析,得 到 試 驗(yàn) 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(shí)間的雙道次壓縮時(shí),當(dāng)?shù)来伍g隔時(shí)間為1s和5s時(shí),其 第 二 道 次 變 形 時(shí) 的 真 應(yīng) 力G真 應(yīng) 變 曲線為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型,道次間隔時(shí)間為1s時(shí)的靜態(tài)再結(jié)晶率為6.48%;當(dāng)?shù)来伍g隔時(shí)間大于10s時(shí),其第二道次變形時(shí)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(shí)間的雙道次壓縮時(shí),當(dāng)?shù)来伍g隔時(shí)間從1s延長(zhǎng)到100s時(shí),其 第 二 道 次 變 形 時(shí) 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(shí)間為1,100s時(shí)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.