一種耐候鋼的靜態(tài)軟化行為及微觀組織演變

鄒悟會，熊 毅，任鳳章，秦小才，王 珊

(1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471023;2.河南省中原內(nèi)配股份有限公司，河南孟州454750;3.青海大學機械工程學院，青海西寧810016)

0 引言

耐候鋼是指在大氣中具有良好耐蝕性的一類低碳低合金鋼，廣泛應(yīng)用于鐵道機車車體、橋梁、房屋等金屬構(gòu)件領(lǐng)域[1］，目前中國鐵路車輛車體多由耐候鋼板冷沖和焊接成型。隨著對鐵路車輛車體高速化和輕量化要求的日益迫切，要求鐵道車輛用板材兼具優(yōu)良的耐蝕性和較高的強度指標，在滿足惡劣服役條件的同時減輕車輛自身質(zhì)量;同時還要求板材具有較高的塑性和較大的加工硬化指數(shù)，保證其具有優(yōu)良的冷成形性[2-4］。而雙相鋼則正好具備上述優(yōu)點[5-6］，為此將傳統(tǒng)耐候鋼進行雙相化處理，使之具有更優(yōu)越性能[7-9］，將具有重要的意義和廣闊的發(fā)展前景?；谏鲜霰尘跋?，本文擬在Gleeble-3500熱模擬試驗機上對Cu-P-Cr-Ni-Mo耐候鋼進行雙道次熱壓縮試驗，對其靜態(tài)軟化行為進行系統(tǒng)研究，為耐候鋼的熱軋雙相化提供技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用50 kg真空感應(yīng)爐熔煉試驗材料，其主要化學成分如表1所示。將合金鑄錠改鍛成φ14 mm的圓棒，首先對其在950℃進行2 h的正火處理，然后車削加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣。

表1 試驗鋼的化學成分

1.2 熱變形試驗

試驗用鋼的雙道次熱變形試驗在Gleeble-3500熱模擬試驗機上進行。試樣以10℃/s的加熱速率迅速升溫至1 150℃后保持5 min，然后再以10℃/s的冷卻速率冷至相應(yīng)的變形溫度后保溫2 min，然后以5 s-1的應(yīng)變速率進行雙道次壓縮試驗，真應(yīng)變分別為0.3(第1次壓縮)和0.2(第2次壓縮)，道次間隔時間分別為:1 s、10 s、100 s、500 s、1 000 s。立刻噴水冷卻至室溫。將熱變形試樣沿軸向中心進行線切割，制備金相試樣，在Neophot-21型光學顯微鏡上觀察心部金相組織，腐蝕劑為過飽和苦味酸加十二烷基苯磺酸鈉溶液，水浴加熱至82℃。

2 試驗結(jié)果與分析討論

2.1 真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

耐候鋼雙道次壓縮試驗的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。在同一變形溫度下，隨著道次間隔時間的增加，相鄰第2道次的變形抗力越來越低，當變形溫度為850℃時，隨著道次間隔時間從1 s增加至1 000 s，相鄰第2道次的變形抗力從450 MPa下降至340 MPa左右，如圖1e所示;而在相同的間隔時間內(nèi)，隨著變形溫度從850℃增加至1 100℃時，相鄰第2道次的變形抗力分別從450 MPa(間隔時間1 s)下降至240 MPa(間隔時間1 s)，如圖1a和圖1e所示。該現(xiàn)象意味著靜態(tài)再結(jié)晶程度進行得愈加充分，與此相對應(yīng)的靜態(tài)軟化程度也就越大，相鄰第2道次的變形抗力也就越低;而隨著變形溫度的下降，相鄰第2道次的變形抗力越來越大，表明此時靜態(tài)再結(jié)晶程度進行的很不充分，靜態(tài)軟化程度較小。造成該現(xiàn)象的關(guān)鍵原因在于變形溫度，眾所周知，溫度越高，金屬原子的擴散能力越強，越容易進行塑性變形，位錯運動的阻力也就越小，由于變形引起的加工硬化程度也就很弱，形變儲能在金屬內(nèi)部殘留較少，相鄰第2道次的變形抗力起始點也較小;溫度越低，金屬原子的擴散能力較弱，因變形引起的位錯塞積使得金屬材料的加工硬化程度急劇增大，形變儲能在金屬內(nèi)部殘留較多，相鄰第2道次的變形抗力起始點也就越高。在文獻[10］中也觀察到類似的現(xiàn)象。當形變溫度降至850℃后，從圖1e中可以看出:在不同的間隔時間內(nèi)，耐候鋼同時存在著靜態(tài)回復和靜態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，但是靜態(tài)回復作用更加顯著，導致相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺現(xiàn)象，該現(xiàn)象在其他較高的變形溫度下均未觀察到。隨著變形溫度的增大，對應(yīng)的變形抗力均有著不同程度的降低，靜態(tài)軟化程度顯著增大，該現(xiàn)象意味著軟化過程中靜態(tài)再結(jié)晶占據(jù)主導地位(見圖1a和圖1b)。

圖1 耐候鋼雙道次真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

2.2 靜態(tài)軟化率

圖2為不同變形溫度下，耐候鋼的靜態(tài)軟化率與道次間隔時間的關(guān)系，靜態(tài)軟化率采用后插法計算[11-12］。從圖2中可以看出:影響靜態(tài)再結(jié)晶程度的關(guān)鍵因素在于變形溫度[13-14］，當變形溫度為850℃和900℃時，相鄰道次間隔時間為10 s，仍未發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，變形溫度為950℃間隔1 s，也未發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，此時的靜態(tài)軟化率均在0以下;而當溫度升高至1 050℃和1 100℃時，相鄰道次間隔1 s，對應(yīng)的靜態(tài)軟化率高達0.2和0.5。但是隨著相鄰道次間隔時間的延長，在較低溫度下變形的耐候鋼靜態(tài)軟化率增幅顯著高于較高溫度變形條件。這主要是由于在較低溫度下變形時，金屬難以變形，相應(yīng)的形變儲能也就越低，再結(jié)晶驅(qū)動力也就越小，再結(jié)晶程度很低。但是隨著相鄰道次間隔時間的增加，形變儲能得到有效釋放，由于回復或再結(jié)晶的作用使得形變組織在一定程度得到軟化，導致第2道次變形的流變應(yīng)力也就越小，靜態(tài)軟化率隨之增大。

圖2 靜態(tài)軟化率(Xs)與道次間隔時間的關(guān)系

2.3 微觀組織演變

圖3所示為耐候鋼在950℃進行不同間隔時間雙道次變形后的顯微組織形貌。圖3a為道次間隔時間為1 s的顯微組織，從圖3a可以看出:由于間隔時間很短，未發(fā)生明顯的靜態(tài)再結(jié)晶過程，因此在材料內(nèi)部組織中仍存在著大量的被拉長的變形晶粒，但是在某些取向特殊的原奧氏體晶粒邊界已經(jīng)出現(xiàn)了一些晶粒尺寸約在2～4 μm的新的再結(jié)晶晶粒，該新晶粒的出現(xiàn)應(yīng)該是由亞動態(tài)再結(jié)晶所致。隨著相鄰道次間隔時間的進一步增加至100 s，從圖3b中可以看出:在變形的原奧氏體晶界附近出現(xiàn)了大量晶粒直徑約在10 μm的新的再結(jié)晶晶粒，這部分晶粒明顯不同于圖3a中尺寸較小的新晶粒，是由靜態(tài)再結(jié)晶所致，與此同時，被拉長的變形晶粒尺寸和數(shù)量急劇減少;道次間隔時間為500 s時，等軸晶晶粒數(shù)目不斷增加(見圖3c)，晶粒直徑約為20 μm，局部還存在著少量的變形奧氏體晶粒。當?shù)来伍g隔時間延長到1 000 s時，再結(jié)晶晶粒均勻長大，此時晶粒直徑在30 μm左右(見圖3d)。

圖4所示為變形溫度為1 050℃不同間隔時間時的耐候鋼的顯微組織圖片。道次間隔時間為1 s時，拉長的變形晶粒的數(shù)量相對于圖3a而言明顯減少，在變形的原奧氏體晶界上出現(xiàn)了大量的靜態(tài)再結(jié)晶晶核，尤其是在一些相鄰三叉晶界處更易形成新的再結(jié)晶晶核，與此同時，第1道次變形過程中形成的動態(tài)再結(jié)晶晶核發(fā)生亞動態(tài)再結(jié)晶，使得部分晶粒長大(見圖4a)，晶粒直徑約8 μm。隨著相鄰道次間隔時間的增加，新的靜態(tài)再結(jié)晶晶核逐漸長大，形成大量細小的奧氏體晶粒，道次間隔時間越長，奧氏體晶粒長大越充分，等軸晶的數(shù)量也越來越多，道次間隔時間增加至1 000 s時，奧氏體晶界趨于平直，接近等軸狀，晶粒直徑約40 μm，此時奧氏體對應(yīng)的軟化率達100%(見圖4b)。該現(xiàn)象意味著變形溫度越高，在其他參數(shù)相同的條件下，相應(yīng)的靜態(tài)再結(jié)晶程度也就越大。

圖3 不同間隔時間950℃變形后耐候鋼的顯微組織

圖4 不同間隔時間1 050℃變形后耐候鋼的顯微組織

不同變形溫度下道次間隔時間均為100 s時耐候鋼的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可看出:影響組織形態(tài)變化的重要因素就是變形溫度。當變形溫度較低(僅為850℃)時，變形組織無明顯變化，仍可觀察到大量拉長的變形晶粒，此時對應(yīng)的組織形態(tài)主要以回復組織為主，在靜態(tài)回復的作用下，加工硬化產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)缺陷逐漸消失(見圖5a)。隨著溫度增加至900℃時，局部出現(xiàn)了少量等軸狀新晶粒，新晶粒尺寸約5 μm，同時還有大量的拉長的變形晶粒存在(見圖5b)。變形溫度增加至950℃后，在此過程中發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，在拉長的變形奧氏體晶界上出現(xiàn)了大量細小的新的再結(jié)晶晶粒(見圖3b)，晶粒尺寸約10 μm。當溫度上升到1 050℃時，靜態(tài)再結(jié)晶進行程度更為充分，在此過程中形成了大量均勻細小的等軸晶(見圖5c)，晶粒直徑約15 μm。當變形溫度增加到1 100℃后，相應(yīng)的靜態(tài)再結(jié)晶進行的更為充分完全，平均晶粒尺寸增長至20 μm左右(見圖5d)。

圖5 不同變形溫度下間隔100 s后耐候鋼的顯微組織

3 結(jié)論

(1)變形溫度對耐候鋼單相奧氏體區(qū)靜態(tài)再結(jié)晶行為有顯著影響，在本試驗條件下，隨著變形溫度的升高和相鄰道次間隔時間的增加，相應(yīng)的靜態(tài)再結(jié)晶進行得更加充分完全。在1 050℃間隔1 000 s，對應(yīng)的靜態(tài)軟化率可達到100%。

(2)在本試驗條件下，隨著變形溫度的降低以及道次間隔時間的減小，奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸從50 μm降至10 μm左右。

致謝:感謝燕山大學材料科學與工程學院蔡大勇教授和張春玲教授在Gleeble試驗中提供的大力支持和幫助!

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