碳含量對碳鋼退火組織溫變形行為的影響

王書強(qiáng)，甘美露，馮秀梅，謝建平，張發(fā)倫，顧寒菲

（江陰市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇江陰 214434）

0 引言

Q235是一種普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，又稱為A3鋼，其含碳量較低，強(qiáng)度、硬度、塑性及焊接性等綜合性能較好，大量應(yīng)用于建筑工程及化工設(shè)備等領(lǐng)域。45鋼為中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其冷塑性一般，但具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，常用于模具及機(jī)械制造領(lǐng)域。T8和T12鋼均屬于碳素工具鋼，其具有較高硬度和耐磨性，適于制作不受沖擊載荷及切削速度不高的各種工具[1]。金屬材料的塑性變形分為冷變形、溫變形和熱變形。金屬材料的溫變形是指材料在高于回復(fù)溫度但低于再結(jié)晶開始溫度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的塑性變形過程，既有熱變形變形抗力小，塑性高、允許變形量大的優(yōu)點，還有冷變形精度高的優(yōu)點[2]。變形抗力直接影響材料加工過程中的變形力的大小及能量消耗的多少，對設(shè)備的選擇與加工的難易有著重要的影響。目前，對碳素鋼退火組織溫變形的研究大多集中在單一鋼種方面，如李志杰等[3]研究了中碳鋼鐵素體+珠光體組織在不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下的流變行為；譚洪鋒等[4]研究了兩種初始組織分別為珠光體+先共析鐵素體及馬氏體的中碳鋼溫變形過程中的組織演變規(guī)律。目前，有關(guān)低碳鋼和高碳鋼退火組織溫變形的研究報道較少。

本文使用Gleeble 3500熱力模擬試驗機(jī)，對Q235鋼和45鋼初始完全退火組織及T8鋼和T12鋼初始球化退火組織進(jìn)行單道次溫壓縮試驗，測定不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對比研究碳含量對碳素鋼流變行為的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為 Q235、45、T8和 T12鋼圓棒材，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分（wt. %）

先將4種材料各切取一段分別進(jìn)行熱處理，Q235和45鋼進(jìn)行完全退火處理，組織均為鐵素體和珠光體，Q235含碳量低，珠光體含量較少；T8和 T12鋼進(jìn)行球化退火處理，組織均為鐵素體和粒狀滲碳體[5]，熱處理工藝如圖 1所示。而后將試樣經(jīng)數(shù)控火花線切割機(jī)及鉆床加工成直徑8 mm、長度12 mm的圓柱型溫壓縮試樣，試樣表面光滑，兩端平行。

在Gleeble 3500熱力模擬試驗機(jī)上對試樣進(jìn)行單道次溫壓縮試驗并采集真應(yīng)力-真應(yīng)變數(shù)據(jù)。在試樣與壓頭間放置鉭片及二硫化鉬以利于潤滑并改善變形效果[6]。試驗結(jié)束后快冷以保留原始變形組織。溫壓縮工藝如下：先將試樣以10 ℃/s的速度分別升溫至600℃、650℃和700℃并保溫5 min；然后再分別以0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1及1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮試驗，變形量為0.5。

圖1 熱處理工藝示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 同應(yīng)變速率不同溫度條件下碳含量對流變曲線的影響

將 Q235、45鋼完全退火組織和 T8、T12鋼球化退火組織在應(yīng)變速率為 0.01 s-1、變形溫度在600℃～700℃范圍內(nèi)時進(jìn)行單道次溫壓縮，得到的流變曲線如圖2所示。

圖2 Q235、45、T8和T12鋼不同變形溫度（應(yīng)變速率0.01 s-1）下的溫壓縮流變曲線

圖中，Q235鋼（變形溫度為600℃～650℃）的流變曲線類型為動態(tài)回復(fù)型[7]。在變形的初始階段，隨應(yīng)變的增加，流變應(yīng)力快速增大并達(dá)到一個峰值，在這個階段塑性變形引起位錯增殖，位錯密度增加，不同方向位錯交割，位錯運(yùn)動受阻所產(chǎn)生的加工硬化占據(jù)主導(dǎo)地位；過了峰值階段，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加繼續(xù)增大但增速極為緩慢，在這個階段，材料發(fā)生動態(tài)回復(fù)，原子的擴(kuò)散導(dǎo)致晶體畸變能降低，內(nèi)應(yīng)力減小，動態(tài)回復(fù)的軟化作用和加工硬化使材料的流變應(yīng)力保持一個相對平衡的狀態(tài)。而Q235鋼（變形溫度為700℃）和其余3種鋼材（變形溫度為600℃～700℃）的流變曲線均為動態(tài)再結(jié)晶型[8]。該種類型曲線在變形開始階段特征與動態(tài)回復(fù)型類似，流變應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增加迅速壯大并達(dá)到一個極限，此時加工硬化占主導(dǎo)地位，但已局部產(chǎn)生動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶。與動態(tài)回復(fù)型不同在于，動態(tài)再結(jié)晶型曲線的流變應(yīng)力過了峰值后隨著應(yīng)變的增加而下降，此時動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶軟化作用大于加工硬化作用。隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，軟化和硬化達(dá)到相對平衡，流變曲線進(jìn)入穩(wěn)態(tài)應(yīng)力階段。而當(dāng)應(yīng)變增大到一定量時，流變應(yīng)力又會開始略微增加，此時加工硬化作用再次大于軟化作用。

由圖2可以看出：在相同的應(yīng)變速率下，4種鋼材的流變應(yīng)力都隨著變形溫度的增加而下降。變形溫度的升高導(dǎo)致原子活動動能及激活能增強(qiáng)，位錯易于開動，同時動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的軟化作用更容易發(fā)生。由圖可知：變形溫度為600℃～700℃時，45鋼流變應(yīng)力始終高于其余3種鋼材；T8鋼流變應(yīng)力始終高Q235和 T12鋼；T12鋼流變應(yīng)力在絕大部分應(yīng)變范圍內(nèi)高于Q235鋼，隨著應(yīng)變的持續(xù)增加，二者流變曲線相交并基本重合，流變應(yīng)力趨于一致。

圖3為 Q235、45鋼完全退火組織和 T8、T12鋼球化退火組織在應(yīng)變速率為 0.01 s-1、變形溫度為600℃～700℃時碳含量和峰值應(yīng)力及穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的關(guān)系曲線。由圖可知：4種鋼材的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力都隨著碳含量的增加先增大后減小；45鋼峰值應(yīng)力最大，較 T8、T12及 Q235鋼分別高約 11 MPa～14 MPa、22 MPa～26 MPa及35 MPa～42 MPa；T8鋼次之，然后是T12鋼，Q235鋼峰值應(yīng)力最?。?5鋼穩(wěn)態(tài)應(yīng)力也最高，較T8、T12及Q235鋼分別高約9 MPa～13 MPa、14 MPa～20 MPa及 15 MPa～19 MPa；T8鋼次之，T12和Q235鋼的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力幾乎相同。

圖3 碳含量和峰值應(yīng)力σp(a)、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力σst(b)的關(guān)系曲線

2.2 同溫度不同應(yīng)變速率條件下碳含量對流變曲線的影響

圖 4為 Q235、45鋼的完全退火組織和 T8、T12鋼的球化退火組織在變形溫度為 650℃、應(yīng)變速率在0.001 s-1～1 s-1范圍內(nèi)時單道次溫壓縮獲得的流變曲線。圖中：Q235鋼（應(yīng)變速率為0.01 s-1～1 s-1）的流變曲線類型為動態(tài)回復(fù)型；Q235鋼（應(yīng)變速率為0.001 s-1）和其余3種鋼材（應(yīng)變速率為0.001 s-1～1 s-1）的流變曲線均為動態(tài)再結(jié)晶型。

圖4 Q235、45、T8和T12鋼不同應(yīng)變速率（變形溫度650℃）下的溫壓縮流變曲線

由圖4可以看出：在相同的變形溫度下，4種鋼材的流變應(yīng)力都隨著應(yīng)變速率的增大而增大。這是由于應(yīng)變速率的增大使塑性變形無法充分的擴(kuò)展和完成，位錯快速增殖，密度不斷增大，形成的位錯塞積、交割等阻礙位錯滑移，導(dǎo)致應(yīng)力增大。由圖可知：應(yīng)變速率為 0.001 s-1～1 s-1時，45鋼流變應(yīng)力高于其余 3種鋼材；應(yīng)變速率為0.001 s-1～0.1 s-1時，T8鋼流變應(yīng)力高于T12和Q235鋼；應(yīng)變速率為1 s-1時，T8鋼流變曲線在應(yīng)變0.21處與T12鋼曲線相交；應(yīng)變速率為0.01 s-1～0.1 s-1時，T12鋼流變應(yīng)力高于Q235鋼并在應(yīng)變速率為0.01 s-1時，隨應(yīng)變的增加二者流變應(yīng)力趨于一致；應(yīng)變速率為0.001 1 s-1時，T12鋼流變曲線在應(yīng)變0.32處與Q235鋼曲線相交。

圖 5為 Q235、45鋼完全退火組織和 T8、T12鋼球化退火組織在變形溫度650℃、應(yīng)變速率0.001 s-1～1 s-1時碳含量和峰值應(yīng)力及穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的關(guān)系曲線。由圖可知：應(yīng)變速率為0.001 s-1～0.1 s-1時，4種鋼材的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力都隨著碳含量的增加先增大后減小。應(yīng)變速率為1 s-1時，4種鋼材的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力隨著碳含量的增加先增大后減小再增大；45鋼峰值應(yīng)力最大，較T8、T12及Q235鋼分別高約13 MPa～19 MPa、14 MPa～26 MPa及 26 MPa～63 MPa；T8 鋼次之，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時，其峰值應(yīng)力比T12鋼低約6 MPa；然后是T12鋼，Q235鋼峰值應(yīng)力最?。?5鋼穩(wěn)態(tài)應(yīng)力也最高，較 T8、T12及 Q235鋼分別高約8 MPa～20 MPa、6 MPa～15 MPa 及 12 MPa～35 MPa；T8鋼次之，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時，其穩(wěn)態(tài)應(yīng)力比T12鋼低約13 MPa；應(yīng)變速率為0.1 s-1～1 s-1時，T12鋼穩(wěn)態(tài)應(yīng)力較Q235鋼分別高約16 MPa和29 MPa；應(yīng)變速率 0.01 s-1，二者穩(wěn)態(tài)應(yīng)力幾乎相同；應(yīng)變速率為0.001 s-1時，T12鋼穩(wěn)態(tài)應(yīng)力較Q235鋼低約3 MPa。

圖5 碳含量和峰值應(yīng)力σp(a)、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力σst(b)的關(guān)系曲線

Q235和45鋼完全退火組織均為鐵素體和珠光體。其中，Q235鋼碳含量較低，珠光體含量少；45鋼珠光體含量約為 60%。片狀珠光體作為粗大的第二相，對強(qiáng)度具有很大貢獻(xiàn)[9]，導(dǎo)致45鋼的變形抗力最大，Q235鋼的變形抗力最小。T12鋼的碳含量大于T8鋼，碳原子在溫變形過程中通過短路擴(kuò)散先行析出，析出的碳化物容易聚集長大，T8鋼析出碳化物時間晚，晶粒細(xì)小，所以變形抗力反而大于T12鋼。

3 結(jié)論

1）在變形溫度為 600℃～700℃、應(yīng)變速率為0.001 s-1～1 s-1時，Q235、45鋼完全退火組織和T8、T12鋼球化退火組織的流變應(yīng)力均隨著變形溫度的升高或應(yīng)變速率的減小而降低。

2）在相同的變形溫度和應(yīng)變速率條件下，Q235、45鋼完全退火組織和T8、T12鋼球化退火組織溫變形的流變應(yīng)力隨著碳含量的增加先增大后減小。其中 45鋼流變應(yīng)力最高，T8鋼次之，Q235鋼最低，T12鋼介于T8鋼和Q235鋼二者之間。