Fe-18Mn-10Al-0.6C的熱變形行為

李 軒，宋仁伯，康 泰

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

Fe-18Mn-10Al-0.6C的熱變形行為

李 軒，宋仁伯，康 泰

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

熱變形行為的研究對材料動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的判斷以及熱加工工藝參數(shù)的制定具有很重要的理論參考價值。對Fe-Mn-Al-C鋼進行單道次壓縮變形實驗，利用Gleeble-3500熱模擬試驗機完成，變形溫度為1 123～1 373 K，應(yīng)變速率為0.01，0.1，1，10 s-1，測定真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，結(jié)合變形組織分析不同變形條件對動態(tài)再結(jié)晶的影響，建立熱變形本構(gòu)方程。結(jié)果表明：變形溫度越高，應(yīng)變速率越低，越有利于動態(tài)再結(jié)晶的進行；實驗用鋼的熱變形激活能和表觀應(yīng)力指數(shù)分別為343.351 kJ/mol和4.683，本構(gòu)方程為

Fe-Mn-Al-C鋼；熱變形行為；動態(tài)再結(jié)晶；本構(gòu)方程

應(yīng)對日益嚴(yán)重的資源緊缺與環(huán)境污染，現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢是在安全舒適的基礎(chǔ)上更追求輕量化、節(jié)能減排［1］。開發(fā)出輕質(zhì)高強鋼用于車身制造成為最有潛力的設(shè)計思路。

Fe-Mn-Al-C鋼擁有優(yōu)良的機械性能、較低的密度和較高的碰撞吸收能，被認為是第三代汽車用先進高強鋼的典型鋼種［2］。目前國內(nèi)外關(guān)于該鋼種的研究頗多涉及成分設(shè)計、組織性能和變形機制等方面，而對熱變形行為以及動態(tài)再結(jié)晶規(guī)律研究較少。Zhao等研究了退回溫度對奧氏體、鐵素體以及κ-碳化物的分布、尺寸、體積分數(shù)等的影響［3］；Li等研究了奧氏體基Fe-27Mn-11.5Al-0.95C鋼的熱變形和動態(tài)再結(jié)晶行為，指出較高的的溫度和應(yīng)變速率均能促進奧氏體和鐵素體的再結(jié)晶［4］。蔡等將一種新型中錳TRIP鋼在700～800℃固溶處理后，獲得了接近1 000 MPa的抗拉強度和30%以上的斷后延伸率，且強塑積大于30 GPa·%［5］。

本文針對一種Fe-Mn-Al-C鋼進行了單道次壓縮熱模擬實驗，得到了高溫變形過程中的流變應(yīng)力曲線，分析了熱變形條件對動態(tài)再結(jié)晶的影響并建立了本構(gòu)方程，為優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料為實驗室自制的一種Fe-Mn-Al-C鋼，主要化學(xué)成分為：w(C)=0.65%，w(Mn)= 18.1%，w(Al)=9.6%，w(Fe)=余量。在鍛坯上加工出Φ8 mm×15 mm的圓柱狀試樣進行熱壓縮實驗。

1.2 實驗方法

在Gleeble-3500熱模擬試驗機上進行熱壓縮試驗。首先以5℃/s加熱速度將試樣加熱到1202℃，保溫180 s后，再以5℃/s的冷速冷卻到變形溫度，保溫15 s，組織均勻化后進行變形。變形溫度設(shè)置為850，900，950，1 000，1 050，1 100℃；應(yīng)變速率分別為0.01，0.1，1，10 s-1；真應(yīng)變達到0.9時變形結(jié)束，試樣立即水淬處理，然后沿壓縮軸線方向切開，后期進行金相組織觀察。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖1為實驗用鋼不同實驗條件下的高溫壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如圖1所示，在不同實驗條件下，試驗用鋼的流變曲線均在變形開始階段迅速上升，發(fā)生顯著的加工硬化；到達某一臨界應(yīng)變量后，流變應(yīng)力達到峰值；隨后，變形量的增加伴隨著流變應(yīng)力下降，最終逐漸趨于平緩［6］。最終穩(wěn)態(tài)塑性變形的出現(xiàn)，是因為材料在熱變形過程中產(chǎn)生的加工硬化與材料軟化產(chǎn)生了相互平衡的效果，而這種軟化正是組織發(fā)生動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶引起。值得注意的是，大多數(shù)流變應(yīng)力應(yīng)變曲線上可以觀察到明顯的“類屈服平臺”效應(yīng)［7］。即在變形初期，隨著應(yīng)變量的增加，流變應(yīng)力保持不變，

圖1 實驗用鋼不同熱變形條件下的流變曲線Fig.1 Flow strain curves of experimental steels under different thermal deformation conditions

之后逐漸上升至峰值。對奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼的研究表明，類屈服平臺的出現(xiàn)，可能與變形初期鐵素體與奧氏體的應(yīng)變分配不協(xié)調(diào)有關(guān)，鐵素體層錯能較高，且在變形初期承擔(dān)更大的變形，

因此發(fā)生動態(tài)回復(fù)，帶來流變應(yīng)力的降低，但其動態(tài)回復(fù)對流變應(yīng)力的影響并不明顯。而對于奧氏體而言，其大面積的動態(tài)再結(jié)晶引起流變應(yīng)力大幅下降。

2.2 熱變形條件對動態(tài)再結(jié)晶的影響

圖2 不同變形條件下熱壓縮后的組織形貌Fig.2 Microstructure and morphology of hot compressed under different deformation conditions

2.2.1 變形溫度 圖2中的a～c是不同溫度下熱壓縮后的組織形貌?？梢钥吹剑?00℃熱壓縮后出現(xiàn)混晶組織，沿著兩相界面和奧氏體晶界處萌生大量細小的奧氏體晶粒，并逐漸長大，但有部分晶粒未發(fā)生再結(jié)晶；950℃熱壓縮后仍出現(xiàn)少量的混晶組織；1 000℃及以上熱壓縮后，奧氏體發(fā)生完全再結(jié)晶，同時晶粒長大明顯。隨著變形溫度的升高，奧氏體的再結(jié)晶程度越來越大，且再結(jié)晶后晶粒的尺寸越來越大。

2.2.2 應(yīng)變速率 圖2中的c～d是不同應(yīng)變速率下熱壓縮后的組織形貌。對比可見，低應(yīng)變速率時帶狀鐵素體明顯減少，奧氏體晶粒更細小更均勻，說明動態(tài)結(jié)晶進行的更充分。

2.3 本構(gòu)方程

通?？梢杂媒?jīng)典的雙曲正弦公式來描述金屬在高溫變形過程中的應(yīng)力與應(yīng)變速率、溫度之間的關(guān)系［8］

對式（1）進行變形，兩邊取對數(shù)，得到

由真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)可得峰值應(yīng)力，如表1所示。

分別繪制不同溫度的 lnσp-ln曲線和σp-ln曲線如圖3和圖4所示。峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系如圖5和6所示。根據(jù)對數(shù)據(jù)的線性回歸分析結(jié)果，可得：α=0.006 007，n=4.683 0，Q=343.351 kJ/mol，A=3.926 2×1013。

表1 不同實驗條件下的峰值應(yīng)力σp，MPaTab.1 Peak stress data table under different experimental conditions，MPa

圖3 不同溫度的lnσp-ln關(guān)系圖Fig.3 Relationship betweenlnσpandln

圖4 不同溫度的σp-ln關(guān)系圖Fig.4 Relationship betweenσpandln

圖5 不同溫度的ln-ln[sinh(ασp)]關(guān)系圖Fig.5 Relationship betweenlnandln[sinh(ασp)]

由此，在溫度850～1 100℃，實驗用鋼的熱變形方程可定量描述為

3 結(jié)論

圖6 不同應(yīng)變速率的ln[sinh(ασp)]-1/T關(guān)系圖Fig.6 Relationship betweenln[sinh(ασp)]and1/T

（1）隨著應(yīng)變量的增加，實驗用鋼的熱變形時的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為五個階段，即加工硬化階段，“類屈服平臺”平穩(wěn)軟化階段，加工硬化階段，動態(tài)再結(jié)晶軟化階段和穩(wěn)態(tài)熱壓縮階段。

（2）隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，峰值應(yīng)力減小，動態(tài)再結(jié)晶更容易發(fā)生。部分流變應(yīng)力曲線上觀察到“類屈服平臺”效應(yīng)，與變形初期鐵素體與奧氏體的應(yīng)變分配不協(xié)調(diào)有關(guān)。

（3）通過對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合回歸分析，得出實驗用鋼在850～1 100℃范圍內(nèi)的熱變形激活能和表觀應(yīng)力指數(shù)分別為343.351 kJ/mol和4.683，熱變形方程為

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Research on hot deformation behavior of Fe-10Mn-8Al-0.6C steel

LI Xuan，SONGRenbo，KANG Tai

（School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

In this paper，the hot deformation behavior of Fe-10Mn-8Al-0.6C steel has been investigated through single-pass compression experiments using Gleeble-3500 thermal simulated test machine at the temperature ranging from 1 123 K to 1 373 K at an interval of 50 K and strain rate of 0.01，0.1，1，10 s-1respectively.True stress-strain curve，dynamic recrystallization behavior under different deformation conditions and deformation constitutive equation have been determined and analysed.The results show that the dynamic recrystallization is promoted by the increase of temperature and the decrease of strain rate.The apparent activation energy(Q)and the apparent stress exponent(n)have been calculated after fitting analysis of experimental data to be about 343.351 kJ/mol and 4.683.The deformation constitutive equation of experimental steel could be expressed by

Fe-Mn-Al-C steel；hot deformation；dynamic recrystallization；constitutive equation

September7，2016）

TF777.7

A

1674-1048（2017）01-0048-05

10.13988/j.ustl.2017.01.010

2016-09-07。

李軒（1994—），男，內(nèi)蒙古赤峰人。

宋仁伯（1970—），男，遼寧鞍山人，教授。