暖通空調(diào)用鋼的熱變形行為與組織研究

曾國(guó)安

(廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,福建 廈門(mén) 361000)

暖通空調(diào)用鋼的碳含量介于1.0%～2.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),由于較高的碳含量而使得暖通空調(diào)用鋼制品通常具有較高的硬度和強(qiáng)度,適宜于制造輕量化設(shè)備和有較高強(qiáng)度和耐磨性要求的鋼鐵制品[1]。然而,暖通空調(diào)用鋼中高的碳含量會(huì)使得鑄坯硬而脆,后續(xù)熱加工較為困難,生產(chǎn)過(guò)程中由于熱變形工藝參數(shù)選擇不當(dāng)而極易出現(xiàn)裂紋等缺陷[2-4],一定程度上限制了暖通空調(diào)用鋼的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室軋機(jī)/液壓機(jī)等對(duì)暖通空調(diào)用鋼的熱變形過(guò)程進(jìn)行模擬,雖然能夠取得一定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),但是模擬結(jié)果往往與工業(yè)生產(chǎn)存在較大差異,且試驗(yàn)成本較高;而采用熱力學(xué)模擬的方法可以便捷地模擬暖通空調(diào)用鋼的熱變形過(guò)程,其試驗(yàn)成本較低,同時(shí)可以較全面、準(zhǔn)確地反映熱變形過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)組織演變的影響[5-6]。目前,國(guó)內(nèi)在暖通空調(diào)用鋼方面的研究多集中在成分設(shè)計(jì)、熱處理工藝優(yōu)化等方面,而通過(guò)熱模擬的方法研究暖通空調(diào)用鋼的熱變形行為,并對(duì)組織演變規(guī)律進(jìn)行研究方面的報(bào)道較少[7-9]。熱模擬的研究將有助于弄清楚暖通空調(diào)用鋼熱變形過(guò)程中的變形參數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系及組織演變規(guī)律,并為后續(xù)暖通空調(diào)用鋼的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)用鋼材料為Fe-1.2C-4.8Cr-0.38Mo-0.35V暖通空調(diào)用鋼,主要元素化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):C為1.220%,Cr 為4.790%,Mo為0.380%,V為0.360%,Si為0.780%,Mn為0.660%,P為0.009%,S為0.003%,余量為Fe;基體組織為鐵素體+M2C碳化物。

Fe-1.2C-4.8Cr-0.38Mo-0.35V鋼的熱壓縮工藝示意圖如圖1所示。在變形溫度保溫60 s后進(jìn)行不同應(yīng)變速率的等溫壓縮,應(yīng)變量為40%,冷卻方式為水淬。高溫?zé)嶙冃芜^(guò)程中,為了避免試樣發(fā)生粘連壓頭和氧化等現(xiàn)象,預(yù)先在試樣兩端涂抹潤(rùn)滑油和放置石墨片,并進(jìn)行抽真空處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼的熱壓縮工藝示意圖

采用線切割方法從熱變形試樣的同一部位(沿中心軸線方向)截取金相試樣,經(jīng)過(guò)冷鑲嵌、60～1 500目砂紙逐級(jí)打磨、金剛石研磨膏拋光,用10 g 氫氧化鉀+10 g鐵氰化鉀+100 mL去離子水混合溶液加熱至微沸后浸蝕,清水和酒精清洗后吹干;在Leica DM6M型金相顯微鏡上觀察晶粒形貌,采用附帶Image Pro plus 6.0軟件測(cè)試晶粒尺寸,取10個(gè)視場(chǎng)下的平均晶粒尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同熱變形條件下高碳鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變

圖2為不同熱變形條件下高碳鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。在變形初始階段,不同應(yīng)變速率和變形溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的真應(yīng)力會(huì)隨著真應(yīng)變?cè)黾佣焖僭龃?這主要是由于變形早期階段位錯(cuò)密度顯著升高,加工硬化作用占主導(dǎo)所致[10]。應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí),變形溫度950～1 100 ℃的曲線為動(dòng)態(tài)回復(fù)型曲線(未出現(xiàn)峰值應(yīng)力,處于穩(wěn)定變形階段),變形溫度1 150 ℃時(shí)出現(xiàn)了峰值應(yīng)力后真應(yīng)力降低的現(xiàn)象;應(yīng)變速率為1 s-1、變形溫度1 050～1 150 ℃和應(yīng)變速率5 s-1、變形溫度950～1 150 ℃的流變應(yīng)力都在達(dá)到峰值后降低。在相同應(yīng)變速率下,變形溫度越高則相同應(yīng)變下的真應(yīng)力越小,這主要是因?yàn)楦邷叵聦?shí)驗(yàn)鋼中的位錯(cuò)滑移和位錯(cuò)攀移更加容易,動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為更加顯著[11]。在對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行熱壓縮過(guò)程中,位錯(cuò)密度增大引起的加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)存在,當(dāng)加工硬化作用占主導(dǎo)時(shí)真應(yīng)力會(huì)增大,二者趨于平衡時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段,而動(dòng)態(tài)軟化作用占主導(dǎo)時(shí)真應(yīng)力會(huì)減小[12]。

2.2 不同應(yīng)變速率和變形溫度下的峰值應(yīng)力

表1為實(shí)驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的峰值應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果。當(dāng)變形溫度從950 ℃上升至1 150 ℃,應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)的峰值應(yīng)力,從135.90 MPa降低至33.27 MPa;應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)的峰值應(yīng)力,從183.08 MPa降低至47.21 MPa;應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)的峰值應(yīng)力,從174.64 MPa降低至60.27 MPa;應(yīng)變速率為5 s-1時(shí)的峰值應(yīng)力,從214.33 MPa降低至79.46 MPa。當(dāng)應(yīng)變速率從0.01 s-1上升至5 s-1,950 ℃的峰值應(yīng)力,從135.90 MPa增加至214.33 MPa;1 000 ℃的峰值應(yīng)力,從76.40 MPa增加至182.97 MPa;1 050 ℃的峰值應(yīng)力,從66.99 MPa增加至137.04 MPa;1 100 ℃的峰值應(yīng)力,從45.92 MPa增加至119.23 MPa;1 150 ℃的峰值應(yīng)力,從33.27 MPa增加至79.46 MPa。由此可見(jiàn),當(dāng)變形溫度從950 ℃上升至1 150 ℃,應(yīng)變速率為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1和5 s-1時(shí)實(shí)驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì);當(dāng)應(yīng)變速率從0.01 s-1上升至5 s-1,變形溫度為950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃和1 150 ℃時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的峰值應(yīng)力

2.3 不同應(yīng)變速率下實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒組織

圖3為不同應(yīng)變速率下實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒組織,變形溫度為1 150 ℃。對(duì)比分析可見(jiàn),不同應(yīng)變速率下實(shí)驗(yàn)鋼中都存在尺寸不等的奧氏體晶粒,部分奧氏體晶粒內(nèi)部還可見(jiàn)亞晶組織。在較低的應(yīng)變速率下(0.01 s-1),實(shí)驗(yàn)鋼在高溫下變形的時(shí)間較長(zhǎng),再結(jié)晶晶粒之間發(fā)生了合并和長(zhǎng)大,晶粒內(nèi)部可見(jiàn)被位錯(cuò)割裂而形成的亞晶組織;隨著應(yīng)變速率升高,實(shí)驗(yàn)鋼在高溫下變形的時(shí)間縮短,再結(jié)晶晶粒尺寸和晶粒內(nèi)亞晶組織比例減小,平均晶粒尺寸從0.1 s-1時(shí)的45 μm減小至5 s-1時(shí)的30 μm。這主要是因?yàn)殡S著應(yīng)變速率增加,實(shí)驗(yàn)鋼中的加工硬化更加顯著,再結(jié)晶晶粒形核時(shí)間變短,且由于變形速率高,這些晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大而被保存下來(lái)形成了細(xì)小再結(jié)晶晶粒[13]。此外,對(duì)比分析不同應(yīng)變速率下的晶粒組織可知,當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到1 s-1及以上時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼中的等軸晶晶粒尺寸分布均勻且較為細(xì)小。因此,建議實(shí)際應(yīng)用中實(shí)驗(yàn)鋼的熱變形應(yīng)變速率控制在1 s-1及以上。

圖3 不同應(yīng)變速率下實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒組織(1 150 ℃)

2.4 不同變形溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒組織

圖4為不同變形溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒組織,應(yīng)變速率為1 s-1。當(dāng)變形溫度為950 ℃時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼的組織為形變奧氏體晶粒+少量等軸動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒;變形溫度升高至1 000 ℃時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼的基體組織中可見(jiàn)等軸晶和亞晶組織,此時(shí)的實(shí)驗(yàn)鋼仍然以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為并不明顯;當(dāng)變形溫度升高至1 050 ℃時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼中可見(jiàn)晶界連續(xù)的再結(jié)晶晶粒;變形溫度為1 150 ℃時(shí)的基體組織中基本都為晶粒尺寸分布均勻的等軸狀動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1,變形溫度從950 ℃上升至1 150 ℃過(guò)程中,超高碳中位錯(cuò)滑移和攀移的能量更多,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更加容易[14];在變形溫度為1 100 ℃和1 150 ℃時(shí),平均再結(jié)晶晶粒尺寸分別約為24 μm和45 μm。綜合而言,當(dāng)變形溫度在1 050 ℃及以下時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼中主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主,并伴隨有少量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;當(dāng)變形溫度達(dá)到1 100℃及以上時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼的軟化機(jī)制主要以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主。根據(jù)不同變形溫度下的晶粒組織觀察結(jié)果可知,實(shí)驗(yàn)鋼適宜在1 100 ℃及以上溫度進(jìn)行熱加工變形。

圖4 不同變形溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒組織(1 s-1)

2.5 流變應(yīng)力方程

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Q為變形熱激活能,kJ/mol;R為氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);A1、A2、A、n1、n、α和β(β=αn1[16])都為與實(shí)驗(yàn)鋼相關(guān)的常數(shù)。分別對(duì)公式(2)、公式(3)、公式(4)進(jìn)行取對(duì)數(shù)處理可得:

(5)

(6)

(7)

圖5 不同熱變形條件下實(shí)驗(yàn)鋼的對(duì)數(shù)曲線

圖6 不同熱變形條件下實(shí)驗(yàn)鋼的關(guān)系曲線

圖7 不同熱變形條件下實(shí)驗(yàn)鋼的ln[sinh(ασ)]-1/T關(guān)系曲線

對(duì)公式(7)進(jìn)行1/T取偏導(dǎo)處理,可得到變形激活能Q的關(guān)系表達(dá)式:

(8)

由圖7的ln[sinh(ασ)]-1/T關(guān)系曲線斜率(14.075),并代入R和n值,可計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)鋼的變形激活能Q=729.266 kJ/mol。結(jié)合公式(1)和公式(4),Z可表示為:

(9)

將Q值代入公式(9)可得不同應(yīng)變速率和變形溫度下的lnZ值,如表2所示?？梢?jiàn),在相同變形溫度下,隨著應(yīng)變速率從0.01 s-1上升至5 s-1,lnZ值逐漸增大;在相同應(yīng)變速率下,隨著變形溫度從950 ℃上升至1 150 ℃,lnZ值逐漸減小。

表2 實(shí)驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的lnZ值

繪制不同熱變形條件下實(shí)驗(yàn)鋼的lnZ-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線,如圖8所示。可見(jiàn),ln[sinh(ασ)]隨著lnZ增加而逐漸增大,lnZ-ln[sinh(ασ)]線性擬合直線的線性相關(guān)系數(shù)為0.969 1,表明lnZ-ln[sinh(ασ)]的線性相關(guān)性較好[19]。采用最小二乘法線性回歸,可得lnA=63.35,進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)因子A=3.26×1027。

圖8 不同熱變形條件下實(shí)驗(yàn)鋼的lnZ-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線

將上述計(jì)算得到的α(0.010 6)、n(6.232)、Q(729.266 kJ/mol)和A(3.26×1027)值代入公式(4)可得實(shí)驗(yàn)鋼的雙曲正弦Arrhenius流變應(yīng)力方程為:

(10)

值得注意的是,本文的流變應(yīng)力方程忽略了應(yīng)變軟化與應(yīng)變硬化的影響,為了驗(yàn)證上述流變應(yīng)力方程的準(zhǔn)確性,將熱壓縮過(guò)程中的應(yīng)變速率和變形溫度代入公式(10)并與表1對(duì)比,表明應(yīng)變速率0.01～5 s-1、變形溫度950～1 150 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差均在10%以內(nèi)?？梢?jiàn),實(shí)驗(yàn)鋼的Arrhenius流變應(yīng)力方程在熱壓縮過(guò)程中具有較好的適應(yīng)性和應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

1)當(dāng)變形溫度從950 ℃上升至1 150 ℃,應(yīng)變速率為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1和5 s-1時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì);當(dāng)應(yīng)變速率從0.01 s-1上升至5 s-1,變形溫度為950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃和1 150 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

2)當(dāng)變形溫度為1 150 ℃,應(yīng)變速率為1 s-1及以上時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼中的等軸晶晶粒尺寸分布均勻且較為細(xì)小,建議實(shí)驗(yàn)鋼的熱變形應(yīng)變速率適宜控制在1 s-1及以上。當(dāng)變形溫度在1 050 ℃及以下時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼中主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主,并伴隨有少量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;當(dāng)變形溫度達(dá)到1 100 ℃及以上時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼的軟化機(jī)制主要以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主;當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1,實(shí)驗(yàn)鋼適宜在1 100 ℃及以上溫度進(jìn)行熱加工變形。

3)實(shí)驗(yàn)鋼的雙曲正弦Arrhenius流變應(yīng)力方程為:

(11)

應(yīng)變速率0.01～5 s-1、變形溫度950～1 150 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差均在10%以內(nèi)。