基于鑄坯的25Mn鋼環(huán)件熱輾擴成形力學性能分析

秦芳誠，李永堂，齊會萍，付建華

（1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原030024；2.太原科技大學 金屬材料成形理論與技術山西省重點實驗室，山西 太原030024）

0 前言

25Mn鋼作為制造錳鋼環(huán)形零件的常用材料，具有優(yōu)良的強度、韌性、淬透性及抗磨損性能，為錳鋼環(huán)形零件在風電、石油化工和航空航天等裝備制造業(yè)領域的廣泛應用奠定了材料基礎。近年來，環(huán)形零件鑄輾復合成形技術作為環(huán)件生產的一種先進工藝，為錳鋼環(huán)形零件的省時、省力和綠色生產創(chuàng)造了技術基礎，它包括鑄造環(huán)坯、熱輾擴和后續(xù)機加工過程，具有縮短工藝流程、節(jié)材和降能耗等眾多優(yōu)點[1，2]。李永堂等[3-6]在基于鑄坯的環(huán)件輾擴成形方面開展了許多卓有成效的研究工作，系統研究了鑄態(tài)組織的熱塑性變形行為，探討了基于鑄坯的環(huán)件輾擴成形基礎理論和工藝參數及其對環(huán)件成形質量和組織演變的影響，并進行了工業(yè)生產。

然而，由于熱輾擴成形過程多場、多因素耦合的復雜性，變形區(qū)環(huán)坯料在高溫和載荷作用下經歷了非穩(wěn)態(tài)、非線性的塑性變形。驅動輥轉速、輾擴力、輾擴力矩、初始輾擴溫度、芯輥進給速度和進給量等輾擴工藝參數決定了輾擴過程材料的變形和環(huán)件成形質量與性能[7-9]。尤其是對于大直徑、寬壁厚的25Mn鋼環(huán)件，成形過程中各區(qū)域的變形不均勻，造成最終環(huán)件內部的殘余應力較大，晶粒尺寸分布不均，力學性能較差，給環(huán)件在關鍵領域的安全應用帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，在已有基于鑄坯的輾擴成形基礎理論指導下，對25Mn鋼環(huán)形鑄坯的熱輾擴進行試驗，并分析輾擴完成后內部微觀組織以及力學性能，探討其“ 成形”/“ 成性”機理，為基于鑄坯的環(huán)件熱輾擴過程的進一步研究和環(huán)件鑄輾復合成形工藝的穩(wěn)定實現提供理論基礎和試驗依據。

1 25Mn鋼環(huán)坯輾擴工藝

環(huán)件熱輾擴成形是一種高性能、精確成形工藝，輾擴過程中通過對環(huán)件變形區(qū)進行連續(xù)加載，在得到最終環(huán)件形狀、尺寸和精度的同時，由于塑性變形使得環(huán)件內部組織狀態(tài)不斷發(fā)生改變，以實現細化晶粒、改善組織和提高性能的目的。

在25Mn鋼環(huán)坯的實際熱輾擴過程中，輾擴工藝參數如下：環(huán)形鑄坯尺寸為φ750mm×φ350mm×φ160mm，芯輥進給速度為2.0mm/s，初始輾擴溫度為1050℃，驅動輥轉速為4.02rad/s，輾擴比為4，輾擴力為2.3MPa。

熱輾擴完成后，環(huán)件的寬展小，橢圓度為0.4，表面質量較好，成形精度高，成形后外形尺寸為φ1470mm×φ1306mm×φ100mm，如圖1 所示。

圖1 輾擴成形的25Mn鋼環(huán)件

2 環(huán)件力學性能檢測的實驗條件

熱輾擴完成后，需對25Mn鋼環(huán)件的內部組織及力學性能進行分析，以進一步研究多場、多參數耦合下環(huán)件非穩(wěn)態(tài)、非線性、三維連續(xù)時變的宏微觀變形和“ 成形”/“ 成性”一體化調控等科學問題。

試驗用材料取自鑄輾復合工藝成形的25Mn鋼環(huán)件，化學成分如表1。根據熱軋環(huán)件的檢測標準[10]，在圖2 所示環(huán)件對角位置處取A、B 兩件料對熱輾擴后環(huán)件的力學性能進行檢測，各力學性能檢測所需試樣分別在環(huán)件的內層、中層和外層上，并均沿環(huán)件的周向切取。

表1 25Mn鋼化學成分（質量分數/%）

圖2 25Mn鋼環(huán)件力學性能檢測取樣示意圖

為了觀察輾擴成形25Mn鋼環(huán)件的顯微組織情況，在環(huán)件的內層、中層和外層分別取樣，如圖3 所示。經研磨、拋光及4%硝酸酒精溶液腐蝕，利用VHX-600E 金相顯微鏡和JSM-6510 掃描電鏡觀察微觀組織； 各區(qū)域的晶粒尺寸采用過飽和苦味酸溶液（加入少量十二烷基苯磺酸鈉）侵蝕。環(huán)件不同區(qū)域（與觀察顯微組織取樣一致）的硬度用HB-3000B型布氏硬度計測定；拉伸試驗參考GB/T228.1-2010加工成直徑10mm，標距段50mm 的試樣[11]，在日本島津電子萬能拉伸試驗機上進行試驗，斷后延伸率由引伸計測得；沖擊試驗在JB-300B 半自動沖擊試驗機上完成，試樣規(guī)格為10mm×10mm×55mm 標準V 型缺口沖擊試樣[12]。

圖3 25Mn鋼環(huán)件顯微組織與硬度取樣截面位置

試驗結束后，采用掃描電鏡分別對拉伸試樣與沖擊試樣的斷口形貌進行觀察，研究其斷裂機理；并結合其熱輾擴后的顯微組織，探討基于鑄坯的25Mn鋼環(huán)件熱輾擴成形的性能，以及成形/成性一體化控制機理。

3 實驗結果與分析

熱輾擴后25Mn鋼環(huán)件不同區(qū)域晶粒尺寸大小及分布情況如圖4 所示，平均晶粒尺寸約為28μm。外層、內層的平均晶粒尺寸較中層的要細小、均勻。中層試樣5 晶粒粗大，大部分晶粒呈長條狀，主要是因為隨著熱輾擴過程的進行，中層溫度較高，熱量不易散失，給晶粒的異常長大提供了可能。環(huán)件內、外層與驅動輥和芯輥直接接觸，受到反復輾壓，塑性變形充分，發(fā)生了動態(tài)再結晶，不斷產生新的再結晶晶粒，晶粒細小、均勻；且環(huán)件上、下端面晶粒在端面錐輥的作用下也會發(fā)生了一定程度的再結晶，導致晶粒變得細小，如圖4 中3 號試樣所示。

環(huán)件熱輾擴過程中的塑性變形，使得環(huán)件內部微觀組織發(fā)生變化，又直接影響著環(huán)件力學性能的變化。結果表明，25Mn鋼環(huán)件中層的力學性能較外層和內層的要差，尤其是塑性最明顯，如圖5b 中層斷面收縮率為42.7%，而內層和外層分別達到了52.4%和55.4%?？估瓘姸圈襜和屈服強度σ0.2的變化趨勢也類似，中層的略微低于內層和外層（圖5a），σb均大于540MPa，σ0.2均大于300MPa。這是因為晶粒尺寸較小時，塑性變形過程中對位錯運動的阻礙作用增強，抵抗塑性變形的能力顯著提高。

圖4 25Mn鋼輾擴成形環(huán)件不同區(qū)域顯微組織

圖5 25Mn鋼輾擴成形環(huán)件不同區(qū)域的力學性能

輾擴完成后，25Mn鋼環(huán)件內層、外層和中層的硬度分別為149、152 和143HB，如圖6 所示。可見，不同區(qū)域的硬度值差別較小，為后續(xù)環(huán)件的加工及應用創(chuàng)造了條件。

而25Mn鋼環(huán)件熱輾擴成形的組織中殘余應力較大，組織主要是粗大的鐵素體，晶粒度為2 級，韌性差，沖擊功較低，斷裂前無明顯的塑性變形；當試驗力達到相應的最大值時，易發(fā)生脆性斷裂，斷口呈脆性結晶狀。利用掃描電鏡觀察發(fā)現，25Mn鋼環(huán)件的內層和外層拉伸斷口河流狀花樣明顯，花樣起伏的程度較大，不規(guī)則，在花樣周圍伴有少量等軸韌窩，韌窩深度淺，少量韌窩區(qū)又存在細小的空洞，斷裂機制主要是準解理斷裂，伴隨韌窩斷裂形式（圖7）。而環(huán)件的中層則觀察不到韌窩和河流狀花樣，斷面鋒利、不平整，撕裂棱嚴重，微小空洞較多，在環(huán)件受到外載荷輾壓發(fā)生塑性延伸時而不斷擴展。

圖6 25Mn鋼輾擴成形環(huán)件不同區(qū)域的硬度

圖7 25Mn鋼輾擴成形環(huán)件拉伸斷口形貌

環(huán)件的沖擊斷口主要由纖維區(qū)、發(fā)射區(qū)及剪切唇構成[13，14]。發(fā)射區(qū)的形貌為準解理，由大量撕裂棱和解理平臺構成（圖8），撕裂棱上有少量小韌窩，并夾雜著直徑很小的球形顆粒。25Mn鋼環(huán)件輾擴成形的組織剪切唇面積較小，單元解理面尺寸增大，河流花樣從裂紋萌生處向四周擴展，遇大角度晶界時形成斷裂臺階，此現象在環(huán)件的中層區(qū)域更加明顯（圖9）。

圖8 25Mn鋼輾擴成形環(huán)件沖擊斷口形貌

4 結論

（1）根據所采用的基于鑄坯的25Mn鋼環(huán)件輾擴工藝，輾擴完成后，外形尺寸達到要求，寬展小，橢圓度為0.4。

（2）環(huán)件內部組織的平均晶粒尺寸較小，約為28μm；且內層、外層的平均晶粒尺寸較中層的要細小、均勻，中層組織晶粒粗大，大部分晶粒呈長條狀。

（3）25Mn鋼環(huán)件中層的力學性能較外層和內層的要差，表現為塑性最顯著，中層斷面收縮率為42.7%，而內層和外層分別達到了52.4%和55.4%?？傮w而言，輾擴成形環(huán)件的力學性能較好。

（4）內層和外層拉伸斷口河流狀花樣明顯，呈不規(guī)則狀，伴有少量等軸韌窩，深度淺，斷裂機制主要是準解理斷裂，伴隨韌窩斷裂形式。而環(huán)件的中層則無韌窩及河流狀花樣，斷面鋒利、不平整，撕裂棱嚴重。沖擊斷口組織剪切唇面積小，單元解理面尺寸增大，河流花樣從裂紋萌生處向四周擴展，遇大角度晶界時形成斷裂臺階。

圖9 25Mn鋼輾擴成形環(huán)件中層沖擊斷口形貌

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