23CrNi3Mo鋼動態(tài)再結晶行為和組織演變研究

閆永明，劉雅政，周樂育，徐 盛

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083)

隨著現(xiàn)代高頻率、高沖擊鑿巖設備的應用，對釬具產(chǎn)品的質(zhì)量提出了越來越高的要求.在鉆鑿過程中，釬頭作為主要的受力部件，直接接觸并破碎巖體，承受著巨大的沖擊載荷和磨料的劇烈磨損.因此，釬頭在具有較高強度的同時還應具有優(yōu)良的韌性［1］.23CrNi3Mo 鋼作為一種低碳 Cr、Ni、Mo合金鋼，在國內(nèi)外釬鋼釬具行業(yè)廣泛應用于釬頭、釬尾和釬桿的生產(chǎn)過程.隨著基礎建設及礦山開采的日益發(fā)展，對于高壽命釬具產(chǎn)品的需求量也持續(xù)增加［2］.

釬具成品的原奧氏體晶粒大小是由軋制工藝和熱處理工藝聯(lián)合控制，晶粒細化不僅有利于提高產(chǎn)品的強度，更有利于獲得細小且均勻分布的穩(wěn)定奧氏體，大幅度地提高釬具產(chǎn)品的強韌性，從而增加釬具產(chǎn)品的使用壽命［3－5］.在軋制過程中，再結晶可以降低材料的變形抗力、細化晶粒，提高材料綜合力學性能［6－7］.因此，掌握 23CrNi3Mo 鋼的高溫奧氏體動態(tài)再結晶規(guī)律及對其進行數(shù)學建模，對提高釬具產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要.本文利用Gleeble-1500熱模擬試驗機對23CrNi3Mo鋼產(chǎn)品的軋制工藝參數(shù)范圍內(nèi)熱變形過程中的顯微組織演變規(guī)律進行研究，建立了熱變形過程中動態(tài)再結晶模型和晶粒尺寸模型，充分利用動態(tài)再結晶過程細化晶粒，能夠優(yōu)化釬鋼棒材熱軋工藝，對提高最終產(chǎn)品的性能尤為重要.

1 試驗

試驗鋼取自西寧特鋼生產(chǎn)的23CrNi3Mo鑄坯，其化學成分如表1所示.

表1 試驗鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

從鑄坯中心位置截取Φ8 mm×15 mm的圓柱形試樣，采用Gleeble-1500熱模擬試驗機進行單道次熱壓縮試驗.將試樣以10℃/s的速度加熱到1 250℃保溫3 min，然后冷卻到變形溫度(根據(jù)23CrNi3Mo鋼生產(chǎn)軋制溫度在925～1 035℃，選取900、950、1 000、1 050 ℃的4 個變形溫度)，進行變形量70% 的壓縮變形，變形速率取0.1、1、10 s－1，實驗過程中記錄真應力應變曲線，并在變形后迅速淬火保留奧氏體組織，然后截取試樣的縱剖面經(jīng)機械拋光后，采用過飽和苦味酸水溶液+緩蝕劑(海鷗洗發(fā)液)對試樣進行熱侵蝕(侵蝕溫度70℃)，以顯示淬火后原奧氏體晶界，并在光學顯微鏡下對顯微組織進行了觀察.使用Image Tool軟件對不同工藝下的奧氏體晶粒尺寸進行了統(tǒng)計.

2 結果及分析

2.1 流變應力曲線

23CrNi3Mo鋼在不同變形溫度和應變速率下的真應力(σ)－真應變(ε)曲線如圖1所示.相同的變形速率()下，隨溫度的升高，峰值應力逐漸降低;且峰值應力對應的應變減小.當溫度不變時，應變速率較小時曲線峰值較低，且峰值應變較小，易于發(fā)生動態(tài)再結晶;隨著應變速率增加，峰值應力增大，峰值應變增加.熱變形過程中，材料的加工硬化和動態(tài)軟化兩種機制同時起作用.變形開始階段，加工硬化起主導作用;隨著變形的進行，當材料開始發(fā)生動態(tài)再結晶時，ε－σ曲線呈下降狀態(tài)，此時動態(tài)軟化機制起主要作用;隨著再結晶的繼續(xù)進行，當加工硬化和動態(tài)軟化達到平衡時，ε應力為某一穩(wěn)定值，材料進入完全再結晶狀態(tài).

2.2 動態(tài)再結晶本構方程

研究表明［8］，變形溫度和應變速率對材料峰值應力的影響可用式(1)和式(2)［9－10］表示，

圖1 23CrNi3Mo鋼流變應力曲線

Zener－Hollomon(Z)參數(shù)綜合了材料的熱變形條件，Z 參數(shù)可用式(3)［8］表示 ，

對式(1)、式(2)和式(3)進行恒等變形得到

熱變形過程中，峰值應力與Z參數(shù)之間呈線性關系(見圖3)，結合圖2、式(6)，23CrNi3Mo鋼的本構方程可表示為

圖2 峰值應力與應變速率和溫度的關系圖

圖3 峰值應力與lnZ的關系圖

2.3 動態(tài)再結晶臨界應變模型

臨界應變量εc是判斷材料是否發(fā)生動態(tài)再結晶的關鍵，只有變形量大于εc時，奧氏體才會發(fā)生動態(tài)再結晶.εc的大小表征了奧氏體發(fā)生動態(tài)再結晶的難易程度，因此，準確地確定動態(tài)再結晶開始時的臨界應變量εc，對于研究熱變形工藝參數(shù)至關重要.通常取 εc=(0.60 ～0.85)εp［11］，本文采用 Ryan ND的θ－σ模型［12］(θ=dσ/dε)準確地確定了動態(tài)再結晶過程中εc和εp等關鍵物理量.如圖4所示，為實驗鋼應變速率0.1 s－1時不同溫度的θ－σ曲線.圖4中可以將θ－σ曲線分為4部分:第I部分直線段是線性硬化階段;第II部分曲線斜率逐漸降低，動態(tài)回復速率降低;第III部分當流變應力或應變量達到動態(tài)再結晶臨界值時，動態(tài)再結晶開始，曲線斜率急劇下降;第IV段為完全動態(tài)再結晶階段，流變應力進入穩(wěn)態(tài)應力階段.其中，第II段的結束點σc對應發(fā)生動態(tài)再結晶的臨界應變εc，曲線與σ軸的交點σp對應動態(tài)再結晶過程中的峰值應變εp.

圖4 加工硬化率與應力關系圖(=0.1 s-1)

對不同變形條件下的εc和εp進行了統(tǒng)計，如表2所示.通過計算，εc和εp的比值在0.61 ～0.65，取其平均值，23CrNi3Mo鋼熱變形過程中εc=0.63εp，此結果比通常采用的經(jīng)驗公式 εc=0.83εp更準確.

在熱變形過程中，峰值應變εp和臨界應變量εc取決于Z和ε.當Z一定時，隨著變形量的增大，材料組織發(fā)生由加工硬化到動態(tài)回復到部分再結晶到完全再結晶的變化.對于一定的金屬材料，峰值應變εp與應變速率和變形溫度有如下關系［13－14］:

圖5給出了lnεp－lnZ關系圖，線性擬合分析得出 X=0.116 5，m=0.056.因此，

根據(jù)式(6)、式(9)和式(10)，利用matlab軟件建立了23CrNi3Mo鋼動態(tài)再結晶模型圖，見圖6.圖6中εc曲面表示開始發(fā)生動態(tài)再結晶的臨界變形，εs曲面表示發(fā)生完全動態(tài)再結晶的臨界變形.當變形條件位于εc曲面以下時，材料不發(fā)生動態(tài)再結晶;當變形條件位于εs曲面以上時，材料發(fā)生完全動態(tài)再結晶;而在εc曲面和εs曲面之間時，材料發(fā)生部分再結晶，出現(xiàn)混晶現(xiàn)象.

表2 不同變形條件下動態(tài)再結晶臨界應變(εc)、峰值應變(εp)及其比值

圖5 峰值應變和lnZ關系圖

圖6 23CrNi3Mo鋼動態(tài)再結晶模型圖

2.4 高溫變形過程中組織演變規(guī)律

變形溫度、變形量和應變速率等工藝參數(shù)對熱變形奧氏體的動態(tài)再結晶行為都有明顯影響.圖7所示為23CrNi3Mo鋼不同工藝的高溫形變組織.變形條件900℃，10 s－1時材料發(fā)生部分動態(tài)再結晶，如圖7(a)所示，出現(xiàn)明顯的混晶現(xiàn)象，混晶的出現(xiàn)會嚴重降低鋼材的質(zhì)量;當應變速率10 s－1，變形溫度≥950℃時，均發(fā)生完全動態(tài)再結晶，且隨著變形溫度的升高平均晶粒尺寸變大;當變形溫度為1 050℃時，隨著應變速率的降低，平均晶粒尺寸增加.

動態(tài)再結晶是一個溫度和速率控制的過程，變形溫度和應變速率對再結晶晶粒尺寸有很大影響.當溫度升高時，位錯的滑移、攀移和交滑移比低溫時更容易進行;同時，晶界遷移能力增強，這些都有利于動態(tài)再結晶的形核與晶粒長大［15－16］.利用Image tool軟件，對完全動態(tài)再結晶試樣的晶粒尺寸進行了統(tǒng)計，計算了其平均晶粒尺寸，如表3所示.Z參數(shù)綜合反映了熱變形過程中變形溫度和應變速率的影響.根據(jù)表3和式(4)，如圖8(a)所示，不同應變速率下，再結晶晶粒尺寸與lnZ呈線性關系.利用Matlab軟件進行計算分析，得出再結晶晶粒尺寸與變形溫度和應變速率的關系為

根據(jù)式(11)，利用 Matlab軟件得到了23CrNi3Mo鋼關于變形溫度、應變速率和再結晶晶粒尺寸的三維模型圖，見圖8(b).結合材料的動態(tài)再結晶模型圖(圖6)，實際軋制過程中根據(jù)各道次的變形溫度、變形速率、道次變形量可以有效地控制材料的再結晶狀態(tài)及最終的晶粒尺寸，以獲得產(chǎn)品優(yōu)異的機械性能.

3 結論

1)采用回歸方法，確定了23CrNi3Mo鋼的動態(tài)再結晶激活能(293.23 kJ/mol)和綜合表示材料熱變形條件的Zener－Hollomon參數(shù)為Z=exp(293 231.26/RT).

3)確定了熱變形過程中臨界應變量 εc=0.073 4Z0.056，臨界應變與峰值應變的平均比值εc/εp=0.63.

4)熱變形過程中晶粒尺寸d=Q(T－1 120)/T－2.65ln，建立了動態(tài)再結晶模型圖和晶粒尺寸模型圖.

圖7 熱變形中顯微組織演變規(guī)律

表3 不同變形條件下再結晶晶粒尺寸 (μm)

圖8 晶粒尺寸與變形條件關系

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