高壓扭轉(zhuǎn)對20CrM nTi組織和力學(xué)性能的影響

李 琦， 李 萍， 薛克敏， 劉 為， 董傳勇

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引 言

高壓扭轉(zhuǎn)法(high-pressure torsion，簡稱HPT)是在變形體高度方向施加壓力的同時，通過主動摩擦作用在其橫截面上施加一扭矩，促使變形體產(chǎn)生軸向壓縮和切向剪切變形的塑性變形工藝[1]。因其可以制備出塊體納米材料而備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注，近年來，針對HPT開展了大量的研究，并成功地制備出A l、Cu、Mg、Ni、Ti等多種致密金屬及其合金的塊體超細(xì)晶材料[2-11]。值得注意的是，大部分的微觀組織觀察和性能測試主要針對的是試樣邊緣，對于沿試樣徑向各個不同位置的微觀組織研究較少。

20CrM nTi合金滲碳鋼常用于制造受中等動載荷的受磨零件，如變速齒輪、齒輪軸、十字銷頭和花鍵軸套等，在汽車工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛采用[12]。有效細(xì)化晶粒尺寸不僅可以提高金屬的強(qiáng)度、耐磨性及耐腐蝕性，還可獲得具有低溫和高應(yīng)變速率的超塑性，這將大大提高齒輪等零件的使用性能。本文針對20CrM nTi材料，利用光學(xué)顯微鏡和顯微維氏硬度計，研究了壓力和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對試樣子午面的顯微組織及顯微硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料的制備與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為六安齒輪廠提供的軋制20CrM nTi棒材，尺寸為Φ50×105mm，其主要成分見表1所列。在850℃下保溫50 min進(jìn)行退火處理，然后通過線切割加工出5個Φ29×3 mm試樣備用。

表1 實(shí)驗(yàn)用20CrMn Ti的主要成分

實(shí)驗(yàn)過程中，上模下行，對試樣施加一定的壓力，然后下模開始旋轉(zhuǎn)，通過模具與試樣之間的主動摩擦，使試樣產(chǎn)生變形，高壓扭轉(zhuǎn)工藝過程示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，下模扭轉(zhuǎn)速度約為1 r/min，共進(jìn)行了2組實(shí)驗(yàn):第1組實(shí)驗(yàn)過程中下模扭轉(zhuǎn)圈數(shù)為1圈，上模的壓力分別為175、350、525 kN，研究不同壓力對高壓扭轉(zhuǎn)過程的影響;第2組實(shí)驗(yàn)過程中上模的壓力為350 kN，下模扭轉(zhuǎn)圈數(shù)分別為1、2、4圈，研究不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對高壓扭轉(zhuǎn)過程的影響。

用線切割機(jī)沿試樣子午線將試樣切割成4塊，取其中2塊觀察試樣子午面的顯微組織和測量其顯微硬度，觀察位置分別為試樣中心、距中心5mm、10mm、15mm。切割后的樣品先在金相預(yù)磨機(jī)上磨制，然后在400～1 000#金相砂紙上依次磨制，在拋光機(jī)上拋光，最后用4%硝酸酒精溶液腐蝕。金相觀察所用的儀器為4XB-TV倒置金相顯微鏡，顯微硬度測量所用儀器為MH-3顯微硬度計。

圖1 高壓扭轉(zhuǎn)工藝過程示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析

2.1 顯微組織形貌

試樣退火后子午面的顯微組織如圖2所示，從圖2可知，黑色珠光體及白色鐵素體呈明顯帶狀偏析，帶狀組織長度方向與試樣軸向平行，帶狀組織由許多近似等軸狀的晶粒組成，鐵素體晶粒尺寸約為19.90μm。

圖2 退火試樣子午面的顯微組織

下模扭轉(zhuǎn)1圈，壓力為525 kN條件下試樣子午面上的顯微組織如圖3所示。試樣中心處的顯微組織沿試樣徑向呈帶狀分布，帶狀組織內(nèi)部的晶界模糊;距中心5 mm時，珠光體沿試樣徑向呈針狀或細(xì)帶狀分布在鐵素體基體上，晶界難以分辨;距中心10 mm、15 mm時，片狀珠光體呈網(wǎng)狀分布在鐵素體基體上，晶界依稀可見，顯然距中心5mm處顯微組織的變化程度更大。

下模扭轉(zhuǎn)1圈，不同壓力條件下試樣子午面上距中心5 mm處的顯微組織如圖4所示。從圖4可看出，壓力為175 kN時，鐵素體團(tuán)簇呈塊狀分布，片狀珠光體呈網(wǎng)狀分布，鐵素體晶粒尺寸約為16.53μm;壓力增大到350 kN時，塊狀鐵素體團(tuán)簇的尺寸有所減小，鐵素體晶粒尺寸約為13.88μm，片狀珠光體仍然呈網(wǎng)狀分布;進(jìn)一步增大壓力，珠光體沿試樣徑向呈針狀或細(xì)帶狀分布在鐵素體基體上，晶界難以分辨。

壓力350 kN，下模扭轉(zhuǎn)不同圈數(shù)條件下試樣子午面上距中心5mm處的顯微組織如圖5所示。從圖5可看出，扭轉(zhuǎn)2圈時，塊狀鐵素體團(tuán)簇沿試樣徑向伸長，尺寸有所減小，片狀珠光體仍然呈網(wǎng)狀分布，晶界模糊;進(jìn)一步增大扭轉(zhuǎn)圈數(shù)，珠光體沿試樣徑向呈針狀或細(xì)帶狀分布在鐵素體基體上，晶界難以分辨。

圖3 下模扭轉(zhuǎn)1圈，壓力為525 kN條件下試樣子午面上的顯微組織

圖4 不同壓力條件試樣子午面的顯微組織

圖5 不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下試樣子午面的顯微組織

2.2 顯微硬度

下模扭轉(zhuǎn)1圈，高徑比為0.1，不同壓力條件下試樣子午面上的顯微硬度分布如圖6所示。由圖6可知，初始退火態(tài)試樣的平均顯微硬度為146×9.8 M Pa;當(dāng)壓力為175 kN時，中心處的顯微硬度最低，距中心5～10 mm處的顯微硬度最高，接近200×9.8 MPa;增大壓力，中心處及距中心15mm處的顯微硬度明顯升高，顯微硬度沿試樣徑向的分布較均勻;進(jìn)一步增大壓力，距中心5mm處的顯微硬度最高，為304×9.8 M Pa，距中心15 mm處的顯微硬度最小。

圖6 不同壓力下試樣子午面的顯微硬度

壓力350 kN，高徑比為0.1，下模扭轉(zhuǎn)不同圈數(shù)條件下試樣子午面上顯微硬度分布如圖7所示。由圖7可看出，初始退火態(tài)試樣的平均顯微硬度為146×9.8 MPa;扭轉(zhuǎn)圈數(shù)為1圈時，顯微硬度沿試樣徑向的分布較均勻，約為200×9.8 MPa，增大扭轉(zhuǎn)圈數(shù)，距中心5 mm處出現(xiàn)顯微硬度的最大值，為268×9.8 M Pa，中心處的顯微硬度最低，為226×9.8 MPa;進(jìn)一步增大扭轉(zhuǎn)圈數(shù)至4圈，距中心5 mm處的顯微硬度仍然最高，為324×9.8 MPa，距中心15 mm處的顯微硬度值最低，為262×9.8MPa。

圖7 不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下試樣子午面的顯微硬度

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在下模扭轉(zhuǎn)圈數(shù)為1圈時，上模壓力從175 kN增大到350 kN，距中心5mm處的顯微組織變化并不明顯，顯微硬度值僅上升了2×9.8 MPa;但當(dāng)壓力增大到525 kN時，呈網(wǎng)狀分布的珠光體組織明顯被細(xì)化，且沿試樣徑向被拉長，顯微硬度上升了103×9.8MPa。這說明在高壓扭轉(zhuǎn)過程中，隨著壓力的提高，顯微組織及顯微硬度的變化并不是均勻的，當(dāng)壓力增大到一定程度，試樣會產(chǎn)生劇烈的塑性變形，使試樣內(nèi)部的組織變得細(xì)小、均勻。

由圖4c和圖5c可發(fā)現(xiàn)，這2張顯微組織照片十分相似，圖4c為壓力525 kN，下模扭轉(zhuǎn)1圈后的顯微組織，圖5c為壓力350 kN，下模扭轉(zhuǎn)4圈后的顯微組織。由此可知，增大壓力和增大扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對增大試樣的變形程度是等效的，即在較小的壓力下，只要扭轉(zhuǎn)足夠多的圈數(shù)，就可以對試樣施加足夠大的塑性變形。

在高壓扭轉(zhuǎn)過程中，最初模具與試樣之間近似完全粘著狀態(tài)，因?yàn)樵嚇舆吘壧幍慕菓?yīng)變最大，因此變形首先發(fā)生在試樣邊緣。隨著扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增多，由于試樣上的軸向應(yīng)力沿徑向逐漸減小，且試樣邊緣處溝槽較稀疏而試樣中心處溝槽較密集，如圖8所示，因此試樣邊緣與模具之間產(chǎn)生較大的相對滑動，而試樣中心處的金屬與模具之間的相對滑動較小，因此在距中心5 mm處出現(xiàn)了顯微硬度的最大值。

滑移是位錯運(yùn)動的主要方式，促使刃型位錯滑移的切應(yīng)力方向與其位錯線垂直，促使螺型位錯滑移的切應(yīng)力方向與其位錯線平行。在高壓扭轉(zhuǎn)過程中，試樣既受到軸向正應(yīng)力的作用，又受到周向切應(yīng)力的作用，晶體內(nèi)部盡可能多的位錯產(chǎn)生了滑移。Fe為高堆垛層錯能的金屬，在變形劇烈的情況下，由于位錯增殖和易于交滑移，可形成明顯的位錯胞狀結(jié)構(gòu)。在位錯胞的內(nèi)部，位錯密度很低，大量的位錯都纏結(jié)在位錯胞壁。大量位錯胞的產(chǎn)生，使得晶粒被分割成多個小塊，位錯胞壁與亞晶界都屬于小角度晶界，可以猜想，在大塑性變形的條件下，通過位錯的攀移、反應(yīng)，位錯胞很可能轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚?，從而?xì)化晶粒。

圖8 高壓扭轉(zhuǎn)下模

3 結(jié) 論

在常溫下，采用高壓扭轉(zhuǎn)法對退火態(tài)20CrM nTi材料進(jìn)行了處理，研究了不同壓力和不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對材料顯微組織和顯微硬度的影響;隨著壓力和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大，試樣子午面的顯微組織趨于細(xì)小均勻，珠光體沿試樣徑向呈針狀或細(xì)帶狀分布在鐵素體基體上，顯微硬度顯著升高;高壓扭轉(zhuǎn)后，試樣子午面上距中心5 mm處的組織最為細(xì)小，顯微硬度值最高;高壓扭轉(zhuǎn)過程中，增大壓力和增大扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對增大試樣的變形程度，促使晶粒細(xì)化是等效的。

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