Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼熱加工性能研究

崔海濤，董旭光，邵忠財(cái)

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159）

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，先進(jìn)高強(qiáng)韌性汽車用鋼成為汽車輕量化的重要發(fā)展方向[1-3]。由于Fe-Mn-Si-Al系高錳鋼同時(shí)具備較高的強(qiáng)度和塑性，在變形過(guò)程中產(chǎn)生形變誘導(dǎo)孿晶與形變誘導(dǎo)馬氏體，使得Fe-Mn-Si-Al系高錳鋼具有較高的吸收能力，在強(qiáng)度增加的同時(shí)塑性也得到提高，是一種新型汽車用鋼[4-6]。由于 Mn，Si，Al等元素含量較高，使得Fe-Mn-Si-Al系高錳鋼的熱塑性較差[7]，熱連軋時(shí)容易產(chǎn)生邊裂。另外，由于Fe-Mn-Si-Al系高錳鋼的加工硬化率較大，對(duì)工業(yè)軋機(jī)要求較高。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中需要首先解決Fe-Mn-Si-Al系高錳鋼的成形問(wèn)題。

要實(shí)現(xiàn)Fe-Mn-Si-Al系高錳鋼的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，需要對(duì)其熱變形行為進(jìn)行深入研究，明確加工溫度、應(yīng)變速率等關(guān)鍵因素對(duì)其流變行為的影響規(guī)律。文中就典型成分的高錳鋼進(jìn)行了不同條件下的熱模擬單道次壓縮實(shí)驗(yàn)，分析了實(shí)驗(yàn)鋼在高溫變形過(guò)程中的熱變形行為，觀察了顯微組織變化規(guī)律。利用熱模擬實(shí)驗(yàn)得到不同變形溫度和速率下的流變應(yīng)力，建立該實(shí)驗(yàn)鋼的變形抗力模型，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的工藝制定及自動(dòng)控制具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)鋼采用真空感應(yīng)爐熔煉，通過(guò)化學(xué)成分檢測(cè)，各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)鋼鑄錠制備完成后開(kāi)坯，并軋制成厚 10 mm的板材。在軋后的板材上切取熱模擬試樣，并在MMS-300型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單道次熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)。試樣尺寸為φ8 mm×15 mm，制定的熱模擬變形溫度區(qū)間為 850～1050 ℃，間隔50 ℃取一個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度，變形速率ε˙分別為0.01，0.10，1.00，10.0 s-1，具體實(shí)驗(yàn)工藝為：將試樣以 20 ℃/s加熱至1200 ℃；保溫3 min，確保試樣完全奧氏體化；以 10 ℃/s的冷卻速度，將試樣冷卻至既定變形溫度后并保溫20 s；以既定變形速率將試樣壓縮至真應(yīng)變0.6；變形結(jié)束后，為保留高溫組織，立即對(duì)試樣進(jìn)行噴水冷卻。

完成熱模擬后的試樣沿縱截面切取并制備金相試樣，然后再在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織。

表1 Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼的化學(xué)成分%

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分析

圖 1為實(shí)驗(yàn)鋼在不同溫度條件下，應(yīng)變速率為ε˙=0.01 s-1和ε˙=1.00 s-1時(shí)的流變應(yīng)力曲線。可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)（ε˙=0.01 s-1），流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加先迅速增加到最大值而后逐漸下降，在變形過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是造成這一現(xiàn)象的原因。當(dāng)應(yīng)變速率較高（ε˙=1.00 s-1）時(shí)，流變應(yīng)力在達(dá)到峰值后基本不再發(fā)生變化，說(shuō)明變形過(guò)程中實(shí)驗(yàn)鋼發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)。

圖2為不同應(yīng)變速率下實(shí)驗(yàn)鋼在900 ℃時(shí)的流變曲線。由圖2可以看出，變形溫度一定，隨著變形速率的增加，實(shí)驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變也隨之增加。在應(yīng)變速率比較低時(shí)，試樣發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，流變應(yīng)力曲線在ε˙=0.01 s-1及ε˙=0.10 s-1時(shí)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型。隨著變形速率的增加，峰值應(yīng)力和應(yīng)變提高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生困難。當(dāng)ε˙=1.00 s-1及ε˙=10.0 s-1時(shí)，流變應(yīng)力曲線為動(dòng)態(tài)回復(fù)型。這是因?yàn)樽冃嗡俾试酱螅庸び不F(xiàn)象越顯著。以上結(jié)果說(shuō)明應(yīng)變速率是影響熱加工性能的主要因素。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼在不同溫度下的流變應(yīng)力曲線

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼在td =900 ℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力曲線

2.2 微觀組織的觀察

圖3為ε˙=0.01 s-1的應(yīng)變速率時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼在不同變形溫度下的金相組織?？梢钥闯?，當(dāng)變形溫度td=850 ℃時(shí)，組織內(nèi)有少量再結(jié)晶晶粒；當(dāng)td=900 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒有所增多；當(dāng)td=950 ℃時(shí)，產(chǎn)生了大量的再結(jié)晶晶粒；當(dāng)變形溫度繼續(xù)升高到 1000 ℃和1050 ℃時(shí)，顯微組織全部為再結(jié)晶晶粒?？梢?jiàn)，變形溫度越高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象越明顯。

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼在ε˙=0.01 s-1時(shí)不同變形溫度下的金相組織

Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼在不同變形溫度和不同應(yīng)變速率下的金相組織如圖 4所示。由實(shí)驗(yàn)鋼在td=850 ℃, ε˙=10 s-1時(shí)的顯微組織（圖 4a）觀察可知，此時(shí)未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；在 td=1000 ℃, ε˙=0.1 s-1時(shí)（圖4b），晶界上有少量再結(jié)晶，這與之前的流變曲線呈現(xiàn)的結(jié)果一致。

圖4 Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼在不同變形溫度和不同應(yīng)變速率下的金相組織

2.3 熱加工方程的建立

流變應(yīng)力受應(yīng)變速率和變形溫度的影響，在高溫變形時(shí)通常采用式（1）描述三者之間的關(guān)系[8-9]：

式中：A為常數(shù)；Q為材料熱變形激活能；α為應(yīng)力因子；n為應(yīng)力指數(shù)；pσ為材料峰值應(yīng)力；R為氣體常量，這里取8.31 J/(mol·K)

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)并整理后得：

溫度恒定時(shí)，對(duì)式（2）中l(wèi)nε˙求偏導(dǎo)，得：

圖 5為通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理獲得的實(shí)驗(yàn)鋼峰值應(yīng)力σp與應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系。由圖5可知，當(dāng)溫度恒定時(shí)， ln[sinh(ασp)]與之間滿足線性關(guān)系，其斜率的倒數(shù)即為n，可以求出實(shí)驗(yàn)鋼的n=3.10。

當(dāng)應(yīng)變速率相同時(shí)，l n[sinh(ασp)]與 1000/T 也呈線性關(guān)系，直線的平均斜率為b[10]。圖5b為實(shí)驗(yàn)鋼峰值應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系，可求出b=16。將已求得的n，b數(shù)據(jù)帶入式（4）中，可以求出Q=412.151 kJ/mol。將求得數(shù)據(jù)帶入式（1），可求出A=1.78 ×1 014。

由此可得，溫度為850～1050 ℃時(shí)，F(xiàn)e-20Mn-4Si-2Al高錳鋼的熱加工方程為：

2.4 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶規(guī)律的研究

通過(guò)以上求得的熱變形激活能，可計(jì)算Z參數(shù)[11]：

Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼熱變形峰值應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，二者之間呈線性關(guān)系，利用最小二乘法確定線性相關(guān)性系數(shù)R2=0.92。經(jīng)線性回歸得到峰值應(yīng)力方程為：

圖5 Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼峰值應(yīng)力與變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系

圖6 Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼峰值應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系

通過(guò)實(shí)驗(yàn)鋼在 td=850～1050 ℃，應(yīng)變速率=0.01～10.0 s-1條件下的高溫顯微組織分析，可獲得lnZ與變形組織的關(guān)系。當(dāng)ln Z≤ 41.26630，即 Z ≤8.351× 1017時(shí)，F(xiàn)e-20Mn-4Si-2Al高錳鋼易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。因此，F(xiàn)e-20Mn-4Si-2Al高錳鋼易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的條件是在較高溫度及較低應(yīng)變速率時(shí)變形。

3 結(jié)論

1）在高溫狀態(tài)下，應(yīng)變速率對(duì)Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為有顯著影響。

2）Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼的熱變形激活能為Q=412.151 kJ/mol，熱加工方程為：

3）在進(jìn)行 Fe-20Mn-4Si-2Al高錳鋼軋制的過(guò)程中，應(yīng)在高溫及低應(yīng)變速率下變形，有利于降低軋機(jī)的負(fù)荷。

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