中碳鋼溫變形過程的流變應(yīng)力

李志杰，彭 艷，劉宏民，王素芬，肖力子

（1.燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

通過改進(jìn)材料加工工藝大幅度提高鋼鐵材料的性能，同時(shí)避免合金化傾向，并降低生產(chǎn)能耗，從而生產(chǎn)出性能優(yōu)異、成本低廉、節(jié)約能耗的鋼鐵材料是鋼鐵材料的重要發(fā)展方向［1-2］。諸多研究表明［3-4］：在中溫或冷態(tài)高Z 因子條件下，對(duì)材料進(jìn)行大應(yīng)變加工，不經(jīng)過相變就可獲得超細(xì)化組織，從而起到既大幅度提升材料性能又避免合金化傾向的作用。溫加工是在介于熱加工（T＞0.6Tm）和冷加工（T＜0.3Tm）之間的溫度范圍進(jìn)行塑性成形［5］。姚圣杰等［6］研究了溫軋低碳鋼滲碳體形態(tài)對(duì)終軋組織性能的影響；熊毅等［7］研究了溫壓縮過程中滲碳體的球化行為；譚洪鋒等［8］研究了初始組織形態(tài)對(duì)中碳鋼溫變形組織演變的影響。Storojeva等［9］研究了強(qiáng)力溫塑性變形對(duì)鐵素體－珠光體鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響；Timokhina等［10］研究了合金元素對(duì)溫軋組織和織構(gòu)的影響。這些研究結(jié)果表明，溫塑性加工能使組織超細(xì)化，并促使?jié)B碳體球化，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前針對(duì)中溫變形工藝的研究多以實(shí)驗(yàn)室制備超細(xì)組織新材料為主，要實(shí)現(xiàn)溫加工工藝的工業(yè)應(yīng)用，需對(duì)壓力加工涉及的諸多問題進(jìn)行研究。本文通過圓柱體單向壓縮熱模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)中碳鋼溫變形過程流變行為進(jìn)行研究，分析了宏觀流變應(yīng)力的微觀決定機(jī)制。研究結(jié)果可作為溫加工工藝制定及設(shè)備選擇的依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用中碳鋼化學(xué)成分如下：w（C）＝0.49，w（Si）＝0.26，w（Mn）＝0.50，w（P）＝0.009，w（S）＝0.028。將試樣加工成?8mm×12mm，在Gleeble－3500熱模擬機(jī)上進(jìn)行溫壓縮，工藝如圖1所示。

圖1 溫壓縮工藝路線Fig.1 Process of the compression test

將試樣以20℃／s的速度加熱到950℃，等溫3min，待試樣完全奧氏體化后，再以10℃／s的速度冷卻到變形溫度（分別為550、600、650、700℃），保溫3min使試樣溫度和組織均勻化，之后開始?jí)嚎s。變形量為70%，變形速率為0.001～10s－1。將變形后的試樣與未變形的試樣迅速水冷，清洗后沿軸線切開取樣。然后將試樣鑲嵌，打磨拋光，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕已經(jīng)拋光好的試樣，腐蝕出變形后的組織結(jié)構(gòu)，在Axiovert200MAT型數(shù)碼金相顯微鏡（OM）上進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察。在KYKY－2800型掃描電子顯微鏡（SEM）上進(jìn)行形貌觀察和分析。借助圖分析軟件Image.J對(duì)掃描照片進(jìn)行分析，對(duì)組織含量進(jìn)行測(cè)量。用截線法測(cè)量鐵素體晶粒尺寸。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

試驗(yàn)用鋼變形時(shí)的組織為網(wǎng)狀先共析鐵素體（F）＋珠光體（P）組織（如圖2所示），先共析F和P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.3%和74.7%。在不同溫度下變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖2 溫變形初始組織Fig.2 Initial microstructure of warm deformation

圖3 中碳鋼溫變形的流變應(yīng)力曲線Fig.3 Flow stress curves of a medium carbon steel in warm－deforming

在變形開始階段材料出現(xiàn)急劇的加工硬化，其后硬化速率降低，達(dá)到峰值應(yīng)力后整體出現(xiàn)強(qiáng)烈軟化，隨著變形量增加流變應(yīng)力不斷降低，最終進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段，流變應(yīng)力基本不隨變形量變化。

在各變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，峰值應(yīng)力增大，過峰值應(yīng)變后的軟化也隨之加劇。應(yīng)變速率為10s－1時(shí)，峰值應(yīng)力最大，整體軟化最顯著。當(dāng)應(yīng)變速率較小時(shí)，峰值應(yīng)力較小，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)軟化幅度也小。

2.2 變形過程分析

根據(jù)應(yīng)力－應(yīng)變曲線的變化特征和微觀組織演變，變形過程可分為4個(gè)階段（如圖4所示）。

（1）F動(dòng)態(tài)回復(fù)（0＜ε≤ε1，dσ／dε?0）

材料發(fā)生劇烈加工硬化，隨著溫度降低和變形速度增大，加工硬化持續(xù)進(jìn)行，但硬化速率（dσ／dε）緩慢減小。金相觀察圖5（a）顯示在此過程網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被拉長(zhǎng)但未被破壞。掃描電鏡圖5（d）顯示珠光體片層結(jié)構(gòu)完好，珠光體團(tuán)位向有所改變，鐵素體的尺寸為9.2μm。因此變形過程主要造成部分珠光體團(tuán)位向改變和較大的F塑性變形，P和F均發(fā)生硬化，珠光體團(tuán)位向改變對(duì)變形抗力基本無影響，而F塑性變形造成動(dòng)態(tài)回復(fù)，沒有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生。金屬中的動(dòng)態(tài)回復(fù)過程主要是點(diǎn)缺陷的重排和消失，以及螺位錯(cuò)交滑移和刃位錯(cuò)攀移造成位錯(cuò)對(duì)消、湮滅而發(fā)生多邊形化過程。位錯(cuò)攀移必然伴隨擴(kuò)散過程，只有當(dāng)溫度高于0.5Tm時(shí)，才會(huì)發(fā)生明顯的位錯(cuò)攀移運(yùn)動(dòng)［11］，回復(fù)主要以螺位錯(cuò)交叉滑移為主，因此其軟化效果微弱。

圖4 溫變形的4個(gè)階段Fig.4 Four episodes of the whole warm deformation

另外，在變形組織中先共析F數(shù)量很少，回復(fù)只對(duì)其造成一定軟化，這使得第一階段宏觀變形硬化速率較高，看不出軟化。

（2）F動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（ε1＜ε≤ε2，dσ／dε＞0）

在此階段，流變應(yīng)力隨變形量的增大而升高，但加工硬化速度（dσ／dε）降低。圖5（b）金相觀察圖顯示，F(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已被破壞，但F在光鏡下依然可分辨，說明F塑性變形嚴(yán)重。圖5（e）掃描電鏡圖顯示珠光體片層結(jié)構(gòu)近似完整，珠光體團(tuán)位向改變，整體上珠光體團(tuán)和先共析F近似垂直于壓縮方向平行排列，而F晶粒被細(xì)化，晶粒尺寸為2.8μm。這是因?yàn)榇穗A段內(nèi)部的硬化機(jī)制與第一階段相同，主要是位錯(cuò)密度增殖及其交互作用使得F和P發(fā)生強(qiáng)化，但在F中存在持續(xù)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化。由于先共析F數(shù)量很少而使得應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)出持續(xù)硬化、但硬化速率（dσ／dε）減小的特點(diǎn)。此過程的宏觀變形微觀上包括先共析F和P的變形，其中P塑性較差而變形量較小，絕大部分宏觀變形由網(wǎng)狀先共析F提供［12］。

圖5 中碳鋼溫軋組織OM及SEM觀察（T＝600℃，ε·＝1）Fig.5 Medium carbon steel microstructure of warm rolling microstructure

（3）滲碳體球化（ε2＜ε≤ε3，dσ／dε＜0）

此過程材料內(nèi)部發(fā)生珠光體中滲碳體片層的扭折、斷裂和F的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。從圖5（c）可以看出，由于細(xì)化使得組織金相觀察呈流沙狀，F(xiàn)和P在光鏡下已難以分辨。掃描電鏡觀察圖5（f）顯示滲碳體在快速球化。在此過程，隨著變形量緩慢增加，局部滲碳體片層出現(xiàn)應(yīng)力集中造成片層破碎。由于片層狀結(jié)構(gòu)受到部分破壞，退化P內(nèi)部F的拘束度減小，這造成材料一定程度軟化，并協(xié)調(diào)內(nèi)部各部分的變形，從而產(chǎn)生較大的塑性變形。滲碳體片層的扭折、斷裂使材料急劇軟化而使流變應(yīng)力出現(xiàn)峰值，大量滲碳體片層斷裂而形成的塑性變形則有利于材料內(nèi)部珠光體中鐵素體晶粒和先共析F晶粒之間的均勻化分布。

根據(jù)再結(jié)晶形核理論和相關(guān)研究結(jié)果［13］，晶界、相界和強(qiáng)化F內(nèi)部大量的“微帶”極易成為再結(jié)晶核心，并向低能晶粒生長(zhǎng)，從而加速再結(jié)晶過程，最終降低F的整體強(qiáng)度。此過程的軟化機(jī)理主要是滲碳體球化及F動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。上述轉(zhuǎn)變機(jī)制使得宏觀流變應(yīng)力呈現(xiàn)出先急速降低，而后緩慢軟化的特征。

（4）穩(wěn)態(tài)變形（ε＞ε3，ΔσⅣ?0）

材料內(nèi)部軟化機(jī)制主要為F動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于在第三階段P的層狀結(jié)構(gòu)被部分打碎，整體組織塑性提高，內(nèi)部組織分布更為均勻，滲碳體的回溶和再結(jié)晶不斷進(jìn)行［14］，硬化和軟化效應(yīng)達(dá)到平衡，隨著變形量增加，應(yīng)力基本不變，ΔσⅣ?0。

2.3 討論

材料的流變應(yīng)力是其在變形過程中體現(xiàn)出的力學(xué)特性，與材料內(nèi)部一定的組織狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。由前述分析可知，在中碳鋼F＋P組織溫變形過程中，其內(nèi)部組織主要發(fā)生鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和珠光體動(dòng)態(tài)球化。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶消耗鐵素體內(nèi)部位錯(cuò)而造成再結(jié)晶軟化。珠光體球化過程既消耗位錯(cuò)密度，同時(shí)又生成強(qiáng)度較低的球化組織，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的軟化效應(yīng)。在550℃流變應(yīng)力曲線出現(xiàn)陡峭的峰值，而在700℃其軟化效應(yīng)減弱均與珠光體球化程度相關(guān)。在高應(yīng)變速率下，軟化效應(yīng)增加不明顯。這是由于珠光體球化過程主要受變形量影響，因而軟化效應(yīng)主要與應(yīng)變量相關(guān)。

3 結(jié) 論

（1）中碳鋼溫變形流變應(yīng)力隨溫度降低和應(yīng)變速率增大而變大，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線由4個(gè)階段構(gòu)成，包括動(dòng)態(tài)回復(fù)階段、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段、滲碳體球化階段和穩(wěn)態(tài)變形階段。

（2）先共析F塑性變形強(qiáng)于珠光體，變形過程的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶主要發(fā)生于先共析鐵素體。隨著變形量的增加，局部滲碳體片層出現(xiàn)應(yīng)力集中造成片層破碎，珠光體發(fā)生動(dòng)態(tài)球化。

（3）中碳鋼溫變形過程的軟化機(jī)理主要有鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和珠光體動(dòng)態(tài)球化。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶消耗鐵素體內(nèi)部位錯(cuò)而造成再結(jié)晶軟化。珠光體球化過程既消耗位錯(cuò)密度同時(shí)又生成強(qiáng)度較低的球化組織，軟化效應(yīng)強(qiáng)烈。

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