高强高韧低合金马氏体钢的静态软化行为

以新开发的高强高韧20SiMn3NiA 低合金马氏体钢为研究对象,用热模拟试验机对其在900~1000℃进行了双道次压缩,应变速率为1.0s-1,道次间隔时间为1~100s,研究了其静态软化行为.结果表明:当变形温度为900 ℃时,随着道次间隔时间的延长,试验钢在第二道次变形时的真应力G真应变曲线由动态再结晶型(软化趋势大于硬化趋势)变为静态再结晶型(硬化趋势大于软化趋势),静态再结晶率由道次间隔时间为1s时的6.48%增至稳定值85%;当变形温度为1000 ℃时,其第二道次变形时的真应力G真应变曲线均为静态再结晶型,静态再结晶率由道次间隔时间为1s时的84.48%增至100s时的96%;试验钢的静态再结晶激活能为448kJ??mol-1.

引 言

高强度低合金钢因合金含量较低(合金元素质量分数在5%左右),可在成本增加很小的情况下获得较高强度与韧性的合 理匹配.其中,低碳马氏体合金钢是一种典型的高强度低合金钢,其在淬火后再进行低温回火处理,通常靠马氏体相变和回火析出的εG碳化物达到高 强 度[1-2].低 碳马氏体合金钢中普遍含有较多的合金元素镍、铬、钒、钼,这些合金元素 价格较高.为了降低成本,作者以我国资源丰富的廉价 锰、硅 为 主 要 合 金 元素,而仅加入少量昂贵的镍,开发出一种新型高强度低合金马氏体钢(牌号为20SiMn3NiA),此钢的抗 拉 强 度Rm 不 小 于1500 MPa,冲 击 功Akv 不 小于85J,具有很好的强韧性匹配[3-4].20SiMn3NiA钢可承受不连续、高速循环往复碰撞,主要应用在服役条件苛刻的铁路维护用捣镐类零件上.在锻造与热轧加工过程中,钢在奥氏体区加热变形后,晶粒内部存储了一定的变形能,钢处于较高的能量状态.由于锻造与轧制变形通常都是多道次的,在前一道次变形后,其随后道次的升温及保温过程中,钢内部加工硬化的组织在道次间隔期间将发生回复和再结晶,释放储存的变形能.这种回复与再结晶会影响钢在高温变形过程中的成形性和变形抗力,并影响其后的相变过程及相变产物.为了研究20SiMn3NiA 钢在热变形后温、保温时间里的再结晶行为,达到控制工艺参数,进而控制其显微组织及性能的目的,作者利用 Gleeble1500型热模拟

试验机对该钢进行了双道次压缩(前后两道次的变形温度相同)变形试验,研究了其在热变形过程间歇时间内的静态软化行为,为制定合理的热加工工艺

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为自制20SiMn3NiA 钢,化学成分见表1.该钢采用真空感应炉冶炼,浇铸成锭,经十字锻造成材,锻后缓冷,再经680 ℃保温4h的退火处理,然后在860℃保温30min进行正火处理.提供试验依据.

试验钢的 尺 寸 为 55 mm×150 mm×650 mm,在其上加工出尺寸为?8mm×15mm 的压缩试样.

1.2 试验方法

在 Gleeble1500型热模拟机上进行压缩试验,将铂G铑热电偶焊接在试样的半高外表面处以测量温度.为减小试样温度的不均匀性及与压头之间的摩擦和黏接,在试样与压头之间放置了石墨钽箔.前后两道次变形温度相同的双道次压缩工艺如下:先将试样以10 ℃??s-1的速率加热至1100 ℃,保温3min使其充分奥氏体化,然后以5 ℃??s-1的速率冷却至变形温度(分别为900,950,1000 ℃),保温30s后进行第一道次压缩,变形量为30%,应变速率为1.0s-1;间隔一定时间(分别为1,5,10,50,100s)后进行第二道次压缩,变形量为30%,应变速率为1.0s-1.压缩试验结束后立即对试样进行淬火,以保留高温变形组织.用4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀后,在 LeicaDMR 型正置式广视野光学显微镜上观察显微组织.

2 试验结果与讨论

2.1 道次间隔时间对显微组织的影响

由 图1和 图2可 以 看 出 ,在900,1000 ℃ 以 及不同道次间隔时间下变形后,试验钢的显微组织均为板条马氏体;道次间隔时间为1,5s时,板条马氏体相对细小,而道次间隔时间为10,50,100s时,板条马氏体 相 对 粗 大.在 相 同 的 道 次 间 隔 时 间 下,1000 ℃变形后的显微组织比900 ℃变形后的显微组织粗大.这是由于在较高的变形温度下,晶粒的静态再结晶在较短的时间内就可以基本完成,随着道次间隔时间的延长,晶粒再结晶后发生了晶粒长大,淬火后得到的板条马氏体也相对粗大.

2.2 道次间隔时间及变形温度对流变应力的影响

从图3中可以看出,当变形温度为900℃,道次间隔时间由1s延长到100s时,第二道次变形时试验钢的流变应力逐渐降低.当道次间隔时间为1s和5s时,随着第二道次应变量的增加,试验钢的真应力先增加到一个峰值后(与第一道次应力接近)再降低,此时的第二道次真应力G真应变曲线为动态再结晶型(即软化趋势大于硬化趋势)曲线,说明在第二道次的变形过程中伴随着动态再结晶的发生.这主要是因为道次间隔时间比较短,静态再结晶来不及进行,晶粒内部还储存大量的形变能,在第二道次变形过程中,这些形变能达到一定程度时,晶粒发生动态再结晶.而当间隔时间在10s以上时,随着第二

道次应变量的增加,试验钢的真应力增加到一个峰值而后趋于平稳,第二道次真应力G真应变曲线均呈静

态再结晶型(即硬化趋势大于软化趋势)且比1~5s的低,这是因为道次间隔时间比较长,晶粒有足够的时间发生并完成静态再结晶[5-6].

时间从1s延长到100s,试验钢在第二道次压缩时的流变应力呈先升高后平缓的变化趋势;与900 ℃变形时不同的是,第二道次流变应力比第一道次有明显的降低,但第二道次的各真应力G真应变曲线几乎重合在一起,难以区分.这是因为变形温度较高,在很短的道次间隔时间下,试验钢中的静态再结晶也进行得比较充分,所以第二道次的流变应力与道

次间隔时间较长时的流变应力相差不大.

2.3 静态再结晶率

如果试验钢中静态再结晶能完全进行,则第二道次的真应力G真应变曲线和第一道次的应该完全重合;如果不存在静态再结晶,则第二道次真应力G真应变曲线的起始应力和第一道次卸载时应力重合.而实际的静态再结晶行为介于上述两个极端现象之间[7-9].

作者采用后插法计算静态软化率,后插法在计算软化率的过程中剔除了变形后静态回复产生的软化,该法得到的静态软化率与实际静态再结晶率 Xs比较接近[7].由图5可见,将第一道次真应力G真应变曲线向第二道次的真应力G真应变曲线移动,使其部分重合,得到平移曲线与第一道次压缩试验卸载曲线的交点对应的应力σr[8-9],则静态再结晶率 Xs可以表示为:

式中:σm 为第一道次加载结束时的应力,MPa;σ0 为第一道次变形时的屈服应力,MPa.

通常认为 Xs 为 0.15~0.20 时开始发生再结晶,当 Xs=0.90时完成再结晶.根据式(1)计算出不同温度和道次间隔时间下试验钢的静态再结晶率.由图6可见,随着变形温度的升高和道次间隔时间的延长,试验钢的静态再结晶进行得越发完全.当道次间隔时间为1s,在变形温度为900,950℃下变形后试验钢的静态再结晶率较小,分别约为6.48%,7.43%,而在1000 ℃下变形后的静态再结晶率达到了84.48%,静态再结晶已经接近完全.当道次间隔时间为100s时,在900,950,1000 ℃下变形后试验钢的静态再结晶率相差不大,这主要是因为在较长的道次间隔时间下,静态再结晶进行得比较充分,已经接近完成.当保温时间足够长时,静态再结晶率可接近100%.

此外,在1000 ℃下还进行了道次间隔时间为0.1s的双道次压缩试验,计算得到的静态再结晶率为7.43%,这说明了变形温度较高时,只需要较短的时间,就能达到与变形温度较低、道次间隔时间较长时一样的软化效果.因而变形温度是影响试验钢发生静态再结晶的主要因素.

在其他条件一定的情况下,变形温度越高,试验钢屈服应力越低,形变能越大,再结晶的驱动力也越大,再结晶速率加快.温度对再结晶形核和晶粒长大速率的影响均呈指数关系.而随着变形温度的降低,晶粒再结晶的难度加大,当变形温度降低到一定程度时,静态再结晶行为将可能不会发生.

2.4 静态再结晶激活能

钢的化学成分对其静态再结晶行为有显著的影响,这种影响主要是通过化学成分对激活能 Qrec的影响来实现的.因此,20SiMn3NiA 钢作为新开发的钢种,计算其激活能 是很有必要的.静态再结晶率达到50%的时间t0.5可按照式 (2)[10-11]确定:

式中:ε为应变;ε?? 为应变速率,s-1;R 为气体常数,J??K-1??mol-1;T 为热力学 度,K;A,p,q 均 为

常数.对式(2)两边取对数可得到式(3).

已有 的 研 究 结 果[12-13]表 明,Qrec与 变 形 条 件(ε,ε??,T)基本无关.因此对于某一种钢,lnt0.5 与1/T 呈线性关系,直线斜率 为 Qrec/R.根 据 图 6可得到不同温度下的t0.5,进而得到试验钢的lnt0.5和1/T 的关系曲线,如图7所示.对图7数据进行线性回归 分 析,得 到 试 验 钢 的 静 态 再 结 晶 激 活能为448kJ??mol-1.

3 结 论

(1)20SiMn3NiA 钢 在 900 ℃ 进 行 不 同 道 次间隔时间的双道次压缩时,当道次间隔时间为1s和5s时,其 第 二 道 次 变 形 时 的 真 应 力G真 应 变 曲线为动态再结晶型,道次间隔时间为1s时的静态再结晶率为6.48%;当道次间隔时间大于10s时,其第二道次变形时的真应力G真应变曲线为静态再结晶型,静态再结晶率趋于稳定,为85%.

(2)20SiMn3NiA 钢在1000 ℃进行不同道次间隔时间的双道次压缩时,当道次间隔时间从1s延长到100s时,其 第 二 道 次 变 形 时 的 真 应 力G真应变曲线均为静态再结晶型;道次间隔时间为1,100s时的静态再结晶率分别为84.48%,96%.

(3)20SiMn3NiA 钢 的 静 态 再 结 晶 激 活 能 为448kJ??mol-1.