M組織碳鋼的碳含量對溫變形行為的影響

王書強， 甘美露， 馮秀梅， 張發(fā)倫， 謝建平， 顧寒菲

(江陰市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所， 江蘇 江陰 214434)

引 言

為了適應(yīng)和滿足21世紀社會發(fā)展的需求，世界各國非常重視鋼鐵材料的研究開發(fā)。鋼鐵材料流變應(yīng)力的大小是保證實現(xiàn)加工時發(fā)生充分塑性變形的關(guān)鍵，對其塑性加工性能及有限元模擬的預(yù)報精度有很大的影響。多年來對材料流變應(yīng)力的研究報道主要集中在冷、熱加工領(lǐng)域，而對溫加工的相關(guān)研究報道較少[1-2]。與熱加工比，溫加工的零件不但尺寸精度高，基本沒有氧化和脫碳等問題，而且能夠較強烈地細化微觀組織，并能較大幅度地提高力學(xué)性能[3]。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗材料為Q235鋼、45和T12鋼棒材，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分/%

將所選材料加工成尺寸為Φ8±0.02 mm×12±0.02 mm的圓柱試樣。對試樣進行淬火處理：Q235鋼經(jīng)900±10 ℃保溫20 min，鹽水淬火的組織主要為板條M組織；45鋼經(jīng)840±10 ℃保溫20 min，鹽水淬火的組織主要為板條M+少量片狀M組織；T12鋼經(jīng)880±10 ℃保溫20 min，鹽水淬火的組織主要為粗片狀M+較多的殘余奧氏體。

1.2 試驗方法

將三種鋼具有淬火組織的試樣在Gleeble 3500熱力模擬試驗機上進行單軸溫壓縮實驗，其實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 溫壓縮實驗裝置圖

Gleeble試驗機自動采集真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。試樣升溫速度為10 ℃ / s，到溫后保溫5 min；壓縮溫度為550，600，650和700 ℃；應(yīng)變速率為1，0.1，0.01，0.001 s-1。為減小鼓形[4]，在試樣與壓頭之間加上一層鉭片，并在端面涂上MoS2，保持潤滑，試樣的變形量約為50%。經(jīng)過計算膨脹系數(shù)B[5]大于0.91，不用修正流變應(yīng)力。整個實驗過程在氬氣保護下進行，變形結(jié)束試樣快冷處理。

對溫壓縮后快冷的試樣，利用透射電子顯微鏡(TEM)和光學(xué)顯微鏡(OM)對模擬溫變形組織進行微觀分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 碳含量對流變曲線的影響

圖2 Q235，45鋼M和T12鋼粗片狀M組織在不同T和下溫壓縮的流變曲線

2.2 壓縮溫度和應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響

從圖2中Q235鋼、45和T12鋼M組織的流變曲線可求得不同溫度和應(yīng)變速率條件下的峰值應(yīng)力σp和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力σst。如圖3所示為Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織不同應(yīng)變速率和壓縮溫度與σp，σst的關(guān)系，由圖3可以看出，3種M組織的峰值應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力都隨著溫度的升高或應(yīng)變速率的降低而減小。

圖3 壓縮溫度與3種鋼M組織σ p ，σ st 的關(guān)系

如圖4所示為3種鋼M組織不同溫度壓縮的應(yīng)變速率與σp，σst的關(guān)系。從圖4中可以看出，應(yīng)變速率從0.001 s-1提高到1.0 s-1，Q235鋼M組織的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力增加了將近1倍；45鋼M組織的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力增加了約90%；T12鋼粗片狀M組織的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力增加了約1.5倍；溫度從600 ℃提高到700 ℃，Q235鋼M組織的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力減小約45%；45鋼M組織的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力減小約50%；T12鋼粗片狀M組織的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力減小約50%。由此可知，溫度對流變應(yīng)力的影響顯著大于應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響。

圖4 應(yīng)變速率與三種鋼M組織σ p ，σ st 的關(guān)系

2.3 碳含量對微觀組織的影響

如圖5所示為Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織在溫度650 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下壓縮后的顯微組織。可以看出，Q235鋼由于碳含量較少，只有約0.17%，溫壓縮過程中析出的碳化物數(shù)量少并且分布不均勻，對位錯的阻礙作用很弱，導(dǎo)致Q235鋼M組織的變形抗力低于45鋼和T12鋼。T12鋼的碳含量遠高于45鋼，雖然在回火及溫壓縮過程中固溶于M組織中的碳將較早析出并聚集長大，但此時固溶于M中的碳濃度仍然遠高于45鋼。一方面，碳原子固溶于α-Fe中形成間隙固溶體，造成點陣畸變，由于間隙固溶濃度不同及其與基體原子間的錯配度導(dǎo)致間隙原子與位錯發(fā)生交互作用，阻礙位錯運動。點陣中的間隙固溶所造成的強化作用與固溶濃度的平方根成正比；另一方面， 碳原子的溶入引起了點陣畸變，形成了應(yīng)力場。溶質(zhì)原子的應(yīng)力場將與位錯應(yīng)力場發(fā)生交互作用。為降低交互作用能，溶質(zhì)原子將聚集到位錯周圍，形成柯氏氣團。當(dāng)具有柯氏氣團的位錯在外力作用下，欲離開溶質(zhì)原子時，勢必升高應(yīng)變能，這相當(dāng)于溶質(zhì)原子對位錯有釘扎作用，阻礙位錯移動。溶質(zhì)濃度越高，越有利于形成柯氏氣團，阻礙作用越強[5]，導(dǎo)致T12鋼粗片狀M組織的流變應(yīng)力高于45鋼M組織。

圖5 Q235鋼M 組織、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織，為0.01 s-1，650 ℃壓縮后的微觀組織

3 結(jié)束語

(1)在相同的變形溫度和應(yīng)變速率下，Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織溫變形的流變應(yīng)力隨著碳含量的增加而增大；其中T12鋼流變應(yīng)力最高，45鋼次之，Q235鋼最低。這是由于Q235鋼碳含量較少，溫壓縮過程中析出的碳化物數(shù)量少并且分布不均勻，對位錯的阻礙作用很弱，T12鋼的碳含量遠高于45鋼，在回火及溫壓縮過程中固溶于M組織中的碳將較早析出并聚集長大，但此時固溶于M中的碳濃度仍然遠高于45鋼。碳原子固溶于α-Fe中形成間隙固溶體，造成點陣畸變，阻礙位錯運動，同時還會形成應(yīng)力場；溶質(zhì)原子的應(yīng)力場將與位錯應(yīng)力場發(fā)生交互作用，形成柯氏氣團，阻礙位錯移動。

(2)Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織的峰值應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力都隨著溫度的升高或應(yīng)變速率的降低而減小；其中，溫度對流變應(yīng)力的影響顯著大于應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響。