熱變形對(duì)40CrMnMo鋼的晶粒尺寸影響規(guī)律研究

劉晨希，趙憲明，楊 洋

（東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819）

40CrMnMo鋼是一種廣泛應(yīng)用的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，因其具有良好的淬透性、較好的強(qiáng)韌性、優(yōu)良的加工性能等眾多綜合特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造重要設(shè)備部件，如截面尺寸較大的傳動(dòng)軸、半軸、曲軸、齒輪、連桿等重載機(jī)械零件[1-3]。然而在目前實(shí)際生產(chǎn)中40CrMnMo熱軋棒材軋后冷卻時(shí)發(fā)生彎曲，硬度超過國家標(biāo)準(zhǔn)。硬度超標(biāo)是因?yàn)槟赶鄪W氏體晶粒過大會(huì)導(dǎo)致晶界面積減小，鐵素體形核位置減少，顯微組織中鐵素體含量降低，貝氏體含量增多，導(dǎo)致硬度升高；奧氏體晶粒過小會(huì)使材料發(fā)生晶界增多造成晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙增大導(dǎo)致硬度升高。因此研究變形參數(shù)對(duì)40CrMnMo鋼的奧氏體晶粒尺寸的影響，選擇合適變形參數(shù)下使晶粒均勻、硬度降低，調(diào)整貝氏體與鐵素體之間的配比。本文通過研究40CrMnMo鋼在不同變形條件下的熱變形及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，建立了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的模型，為40CrMnMo鋼后需的變形工藝參數(shù)的制定提供理論依據(jù)。

1 材料及實(shí)驗(yàn)方案

所用材料為某鋼廠提供的40CrMnMo鋼，試驗(yàn)材料取至Φ20mm的棒材，加工成Φ8mm×15mm的實(shí)心試樣，在MMS-200熱力模擬機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮變形實(shí)驗(yàn)。先將試加熱至1200℃，保溫一段時(shí)間后以10℃/s降溫至850-1150℃的變形溫度，然后保溫20s后進(jìn)行單道次壓縮變形，變形結(jié)束后試樣直接淬火保留高溫組織。試樣制備好后采用OLYMPUS-BX51M觀察奧氏體組織，并使用IPP軟件、采用截點(diǎn)法測(cè)定平均奧氏體晶粒尺寸。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

基于單道次壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了圖1所示的40CrMnMo鋼在變形量0.8，相同的應(yīng)變速率，不同變形溫度下的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖1(a)和(b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，應(yīng)變速率0.01s-1和0.1s-1，所有變形溫度下當(dāng)流變應(yīng)力達(dá)到峰值后都有下降的趨勢(shì)，呈動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型。圖1(c)和(d)的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，應(yīng)變速率1s-1和10s-1，在所有變形溫度下應(yīng)變到0.3后流變應(yīng)力達(dá)到峰值，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加保持穩(wěn)定不變，呈動(dòng)態(tài)回復(fù)型。

圖1 40CrMnMo鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)0.01s-1；(b)0.1s-1；(c)1s-1；(d)10s-1。

可見，同一應(yīng)變速率下，變形溫度升高，峰值應(yīng)力降低，且峰值應(yīng)力向應(yīng)變小的方向移動(dòng)；在相同變形溫度下，應(yīng)變速率越大，流變應(yīng)力越大。峰值應(yīng)力的變化說明在不同的變形條件下中發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度不同，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為都有明顯的影響。變形溫度850℃，加工硬化明顯，發(fā)生動(dòng)態(tài)軟化困難；隨著變形溫度的升高，晶粒的儲(chǔ)存能升高，晶內(nèi)原子擴(kuò)散速度加快，位錯(cuò)通過滑移或攀移，使位錯(cuò)消失和重新排列，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力增大且晶粒內(nèi)的儲(chǔ)存能增多，從而易于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。應(yīng)變速率的增大使發(fā)生變形的時(shí)間的縮短，導(dǎo)致位錯(cuò)密度在較短變形時(shí)間內(nèi)急劇增加，沒有充足的時(shí)間形成新晶核，奧氏體不易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的效果減小，隨著應(yīng)變速率的增加使加工硬化效果增加，使動(dòng)態(tài)軟化和加工硬化的作用效果達(dá)到相互平衡。

2.2 熱變形參數(shù)對(duì)晶粒尺寸的影響

圖2是40CrMnMo鋼在變形溫度950℃，變形量0.8，不同應(yīng)變速率下的顯微組織。應(yīng)變速率的增大使奧氏體晶粒尺寸逐漸減小，奧氏體晶粒尺寸由17.96μm減小到5.93μm。在應(yīng)變速率0.01s-1，原始奧氏體晶粒發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象；應(yīng)變速率的增加使不均勻的晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶形貌，發(fā)生動(dòng)態(tài)軟化的時(shí)間減短，晶粒逐漸變得細(xì)小、均勻。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到10s-1時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)行為，由于動(dòng)態(tài)軟化作用減小，導(dǎo)致有少數(shù)長條狀晶粒來不及發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。應(yīng)變速率的增提高加工硬化效果，位錯(cuò)增殖速度提高，在同一變形量下，獲得的位錯(cuò)密度越高，晶粒內(nèi)形變儲(chǔ)存能也越大，為奧氏體再結(jié)晶提供了足夠的驅(qū)動(dòng)力；應(yīng)變速率的增大，縮短了變形時(shí)間，使變形后的奧氏體晶粒沒有足夠的時(shí)間發(fā)生回復(fù)和長大。因此晶粒尺寸隨著應(yīng)變速率的增大而減小，在應(yīng)變速率10s-1時(shí)奧氏體平均晶粒尺寸達(dá)到5.93μm。

圖2 不同應(yīng)變速率下的顯微組織 (950℃, e=0.8)(a)0.01s-1；(b)0.1s-1；(c)1s-1；(d)10s-1。

圖3為40CrMnMo鋼在變形量0.8、應(yīng)變速率1s-1，不同變形溫度下的顯微組織。由圖可見，隨著變形溫度逐漸升高，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大。在變形溫度為850℃時(shí)，部分奧氏體晶粒沿著軋制方向壓縮變形，未發(fā)生再結(jié)晶，呈扁平組織；隨著變形溫度的升高，奧氏體晶粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，且晶粒的平均尺寸越來越大，從4.28μm增大到25.13μm。在相同的應(yīng)變量和應(yīng)變速率下，由于變形溫度的升高，晶粒的長大速度越來越快，原子擴(kuò)散的速度越快，隨著晶界的遷移，小晶粒逐漸被吞并，形成了晶粒尺寸較大的等軸晶。

圖3 不同變形溫度下的顯微組織 (e=0.8,=1s-1)(a)850℃ ；(b)950℃ ；(c)1050℃ ；(d)1150℃。

2.3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型的建立

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力σP有關(guān)，流變應(yīng)力σ主要受變形溫度T和應(yīng)變速率的影響，為了表征變形參數(shù)對(duì)DRX的影響規(guī)律，引入?yún)?shù)Z，一般表示為[4-7]：

在真應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，它適用于各種應(yīng)力水平的σ和ε˙關(guān)系，雙曲正弦形式修正的Arrhenius關(guān)系式[8]能夠包含再結(jié)晶激活能Q和溫度，用于描述變形后熱激活能的變化。如下：

式中，A、n1、n、α均與溫度無關(guān)；A為結(jié)構(gòu)因子，s-1；n為應(yīng)力指數(shù)；α為應(yīng)力水平參數(shù)，MPa-1，σ表示為峰值應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力或某一指定應(yīng)變時(shí)的流變應(yīng)力，MPa。

采用式(2)的對(duì)數(shù)形式：

采用優(yōu)化算法可以得到方程的系數(shù)，即：

參數(shù)Z包含了應(yīng)變速率、形變溫度對(duì)變形后奧氏體再結(jié)晶晶粒的影響。提高應(yīng)變速率˙與降低變形溫度，都有利于參數(shù)Z增大，對(duì)應(yīng)的流變應(yīng)力峰值σP較高，參數(shù)Z越大奧氏體晶粒越細(xì)。在其他變形參數(shù)相同的情況下，較高的應(yīng)變速率或較低的形變溫度及較大形變量都能減小奧氏體再結(jié)晶晶粒尺寸。

材料在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變形階段，計(jì)算平均晶粒尺寸的數(shù)學(xué)模型，如下式[9]：

式中，C、nd為模型系數(shù)。

將式(7)兩邊同取自然對(duì)數(shù)，可得：

圖4 lndDRX與lnZ的線性關(guān)系

對(duì)lndDRX-lnZ曲線進(jìn)行線性擬合，得到斜率為-nd=-0.199，截距為lnC=8.266。由此可得nd=0.199，C=3.89×103。

則40CrMnMo鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型為：

3 結(jié)論

（1）變形溫度、應(yīng)變速率、變形量對(duì)40CrMnMo鋼熱變形行為具有重要的影響。40CrMnMo鋼在變形溫度為50℃、應(yīng)變量0.8、應(yīng)變速率為1s-1下易于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

（2）奧氏體晶粒尺寸受變形參數(shù)的影響。變形溫度的降低、應(yīng)變量增加或應(yīng)變速率升高而減小能使晶粒逐漸細(xì)化，當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到1s-1后，隨著應(yīng)變速率的增加細(xì)化效果不明顯。

（3）對(duì)40CrMnMo鋼的應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)晶粒尺寸影響的曲線進(jìn)行線性擬合，得出其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型為：