高錳鑄鋼的高溫形變熱處理及其組織和力學(xué)性能

劉江

摘要：從整個高溫形變熱處理操作之中能夠看出，主要是將高溫變形和淬火等處理工序結(jié)合在一起，以此來強化材料力學(xué)性能，完善主體熱處理工藝，之后對試樣顯微組織和力學(xué)性能等進行全面研究，為后續(xù)工作的開展創(chuàng)造有利條件。本文根據(jù)以往工作經(jīng)驗，對試驗材料與方法進行總結(jié)，并從變形組織、力學(xué)性能、低周疲勞性能三方面，論述了試驗結(jié)果與分析。

關(guān)鍵詞：高錳鑄鋼;高溫形變;熱處理;力學(xué)性能

高猛鋼在應(yīng)用過程中，具備明顯的高硬化特征和強韌性特點，在承受沖擊磨損的零件制作之中十分常見，如冶金、軍工等等。高錳鋼工程構(gòu)件主要以鑄造成型為主，在簡單熱處理之后，便可以直接進行應(yīng)用。但高錳鋼自身碳含量較高，結(jié)晶速度快，容易出現(xiàn)粗大的結(jié)晶組織。

1試驗材料與方法

該項試驗中的試驗材料選擇主要是大氣環(huán)境之中冶煉的高猛鑄鋼，實際截面尺寸為200×200mm，具體化學(xué)成分為1.11C，13.1Mn，0.42Si以及0.006S。之后在高溫形變熱處理工藝實施過程中，工作人員可以先將3塊試樣歲爐升溫到1050℃，隨后保溫2h，之后讓其中1塊試樣直接實現(xiàn)水韌處理，將另外兩塊分別壓縮變形20%和25%，在1050℃保溫30min，做好水韌處理。工作人員也可以利用電火花線切割機，在試樣變形表面下5mm進行取樣操作，加工成標距為25mm、直徑為5mm的拉伸試樣。一般情況下，試樣相同部位取樣并加工成標距為10mm、直徑為5mm的疲勞試樣，使用MTS液壓伺服試驗機開展低周疲勞試驗操作。為了呈現(xiàn)出更好的效果，工作人員在疲勞試驗開展前，用砂紙將試樣打磨好，避免對后續(xù)疲勞性能產(chǎn)生影響。該類試驗過程主要采用的是應(yīng)變控制方式進行，讓應(yīng)變速率始終處于合理狀態(tài)下。在試樣相同部位應(yīng)進行切取試塊操作，在打磨拋光后，使用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其內(nèi)部組織變化情況。當上述工作全部完成后，應(yīng)用SU5000型掃描電鏡，對試樣變形表面以下0.5、5和10mm處缺陷進行觀察，明確具體面積。對于試樣表面硬度測試，可以使用XHB-3000布氏硬度計進行。

2試驗結(jié)果與分析

2.1變形組織

對于該項試驗中的水韌處理和熱壓縮變形，主要以20%和25%為主，如果熱變形量越大，鋼的晶粒也會越小。通過水韌處理后得到的試樣組織十分粗大，平均粒徑尺寸為732u，晶粒度也要比00級還要低。當熱壓縮變形20%和水韌處理后，試樣晶粒會越來越小，但依然存在很多粗大晶粒情況，平均晶粒尺寸在237um左右，實際晶粒度為1.0級。變形量為25%的試樣晶粒顯得十分細小，而且基本上不會有粗大晶粒，平均晶粒尺寸也能達到164um，與水韌處理試樣相比，晶粒度提升了2.0級。例如，在經(jīng)過水韌處理以及熱壓縮變形20%和25%之后，試驗變形規(guī)律如下，即變形量越大，實際缺陷面積也就越小，距離試樣變形表面越近，缺陷也會大幅降低。而且與水韌處理試驗對比之中能夠看出，熱壓縮變形25%再水韌處理試樣之中，缺陷占比能夠達到0.06%以下，明顯比之前低出很多。

2.2力學(xué)性能

從水韌處理和熱壓縮變形20%和25%后水韌處理試樣力學(xué)性能變化中能夠看出，經(jīng)過高溫形變熱處理之后，試樣力學(xué)性能得到了明顯提升，而且隨著壓縮變形量的提升，性能也隨之上升。在熱壓縮變形20%再水韌處理下的試樣抗拉強度能夠從僅水韌處理試樣的703MPa提升到了819MPa，提升幅度為17%，斷后伸長率和沖擊韌度能夠達到42.8%和407J/c㎡。如果是熱壓縮變形25%的試樣強度和塑性提升幅度更大，最終抗拉強度能夠提升到927MPa，斷后延伸率能夠達到50.7%，實際試樣變形表面硬度從205HB提升到238HB。

2.3低周疲勞性能

圖1為經(jīng)水韌處理和熱壓縮變形20%和25%后水韌處理試樣在各應(yīng)變幅下峰值應(yīng)力隨著循環(huán)周次的變化情況。整體來看，3種狀態(tài)試樣峰值應(yīng)力循環(huán)周次變化趨勢能夠保持一致，即循環(huán)變形沒有出現(xiàn)明顯變化。更為重要的是，隨著應(yīng)變幅的提升，3種狀態(tài)試驗峰值應(yīng)力也會隨之提升，相應(yīng)疲勞壽命也隨之縮短。站在未變形或則是變形試樣疲勞壽命角度來說，經(jīng)熱壓縮變形20%到25%試樣在各應(yīng)變幅下疲勞壽命能夠明顯提升，而且熱壓縮變形25%試樣提高幅度也會更加明顯。例如，當應(yīng)變幅達到0.4×10-2時，經(jīng)過熱壓縮變形20%后水韌處理試樣的疲勞壽命要比僅水韌處理試樣超出44%。如果應(yīng)變幅為0.8×10-2時，實際提升系數(shù)為34%。反觀熱壓縮變形25%水處理試樣以及僅水韌處理試樣相互比較，疲勞壽命在0.4×10-2時，實際應(yīng)變幅能夠達到10202周次，提高比例約為95%，如果是0.8×10-2時，對應(yīng)提升的應(yīng)變幅為71%。

3討論

當試樣處于高溫變形階段時，會伴隨著動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，而且變形量越大，位錯密度也就越高，再結(jié)晶形核率也會進一步提升，實際動態(tài)再結(jié)晶速度加快。當熱壓縮變形后處于1050℃保溫30min后，試樣將出現(xiàn)靜態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，而且變形量有所提升，再結(jié)晶驅(qū)動力較高，再結(jié)晶難度大幅提升。因此，在熱壓縮變形25%試樣晶粒要比熱壓縮變形20%的試樣顯得更加細小，實際平均晶粒尺寸數(shù)值為164um，對應(yīng)的晶粒度等級為2.0級。更為重要的是，隨著晶粒細化程度的大幅提升，單位投機下的晶截面積也會大幅提升，該項操作能夠緩解由于位錯塞積而引發(fā)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低裂縫問題的出現(xiàn)幾率。由于高猛鑄鋼在凝固過程中存在線收縮率較大情況，容易導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)縮松或者是氣孔等缺陷，最終導(dǎo)致材料連續(xù)性和致密性受到破壞，材料的抗變形性能也會大幅下降。當高猛鑄鋼件受到往復(fù)沖擊和磨損時，便會導(dǎo)致裂紋問題出現(xiàn)。從實際試樣變形表面硬度角度來說，在經(jīng)過高溫形變熱處理之后，表面硬度也會得到提升。之所以會出現(xiàn)這種情況，主要是由于孔洞類缺陷降低，組織結(jié)構(gòu)變得更加致密。

4結(jié)論

綜上所述，當高猛鑄鋼經(jīng)過高溫形變熱處理之后，晶粒出現(xiàn)了明顯變化情況，而且孔洞類缺陷降低，變形量隨之增加。其次，隨著變形量的提升，高猛鑄鋼力學(xué)性能提升顯著，而且，當高猛鑄鋼試樣得到有效處理之后，整個抗拉強度能夠從703MPa提升到927MPa，具體提升幅度能夠達到32%。

參考文獻：

[1]張福成，暢國紀，劉恒亮.高錳鑄鋼的高溫形變熱處理及其組織和力學(xué)性能[J].上海金屬，2019，41（04）：40-44+58.

[2]田亞強，王安東，陳連生.高溫形變對Q&P處理低碳鋼中殘留奧氏體穩(wěn)定性的影響[J].金屬熱處理，2018，43（06）：106-110.