石墨化鋼壓縮溫變形行為的試驗(yàn)研究

張永軍， 王九花， 李新鵬， 于文杰

(北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083)

當(dāng)鋼中出現(xiàn)石墨時(shí)，常將其視為材料內(nèi)部的“缺口”，其塑性加工常常被認(rèn)為是有問(wèn)題的。因此，對(duì)于鋼來(lái)講，多年來(lái)一直將石墨視為有害相，盡量采取措施來(lái)避免其在鋼中出現(xiàn)。近年來(lái)，科研工機(jī)構(gòu)卻利用滲碳體石墨化技術(shù)，陸續(xù)開發(fā)出了具有較高切削性能和冷鐓性能的無(wú)鉛、低硫環(huán)境友好易切削鋼，即石墨化易切削鋼，如英國(guó)利茲大學(xué)[1-2]、日本JFE鋼鐵公司[3]、伊朗馬什哈德菲爾多西大學(xué)和阿薩德大學(xué)[4]、旁遮普大學(xué)[5]、中南大學(xué)[6]、昆明理工大學(xué)[7]、遼寧科技大學(xué)[8]、北京科技大學(xué)和首鋼技術(shù)研究院[9]、武漢鋼鐵公司[10]等；具有良好沖壓成形性能的石墨化中、高碳鋼板等[11-12]。這些鋼種的開發(fā)改變了人們對(duì)鋼中石墨的這一傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，正如文獻(xiàn)[3,9]等研究，石墨化易切削鋼如低碳鋼一樣的塑軟。即以鐵素體、石墨為組織特征的該類鋼材——石墨化鋼具有良好的塑性變形性能。然而這些文獻(xiàn)主要是對(duì)石墨化鋼的室溫下的塑性變形行為進(jìn)行報(bào)道。

石墨化鋼中石墨的存在溫度可以一直持續(xù)到平衡相圖中的A3左右的溫度(易切削鋼的碳含量一般為低、中碳范圍；如果是碳含量大于0.77%，則對(duì)應(yīng)平衡相圖中的是Acm)，鑒于石墨化鋼具有良好的室溫塑性變形性能，那么石墨化鋼是不是也同樣具有良好的中溫塑性變形性能？同時(shí)，鑒于溫變形具有成形溫度低、產(chǎn)品尺寸精度高、少(無(wú))氧化、表面質(zhì)量好、產(chǎn)品性能優(yōu)良、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而成為今后塑性成形的主要發(fā)展方向之一。為此，本文利用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，對(duì)以鐵素體+石墨為主要組織特征的含碳量為0.46%石墨化鋼圓柱試樣進(jìn)行應(yīng)變速率為0.01、0.1、1 s-1，變形溫度為550、600、650 ℃條件下的恒溫壓縮變形試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法及其結(jié)果

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用石墨化鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))：0.46% C，1.51% Si，0.45% Mn，0.009% P，0.009% S,0.005% B，0.008% N)。組織為鐵素體基體上彌散分布著石墨粒子，石墨呈團(tuán)狀，平均粒徑為5 μm；鐵素體晶粒的平均尺寸為22 μm，如圖1所示。

圖1 試樣的原始組織Fig.1 Microstructure in the sample

單向壓縮試驗(yàn)在Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其試樣為φ6 mm×12 mm的圓柱體，變形溫度分別是550、600、650 ℃，應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1 s-1，壓下量分別是10%、30%、50%、70%，變形后立即淬水以固定組織。通過(guò)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對(duì)流變應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行分析，并建立其本構(gòu)方程，確定激活能；同時(shí)，將變形試樣沿壓縮軸方向切開，觀察面平行于壓縮軸，研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液侵蝕，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。利用EBSD進(jìn)一步分析其再結(jié)晶情況，其樣品主要是采用電解拋光法進(jìn)行制備。

在本試驗(yàn)中，壓縮試樣表面及其組織內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)微觀或宏觀的裂紋，說(shuō)明試驗(yàn)鋼具有良好的中溫塑性變形能力，即具有良好的壓縮溫變形性能。

1.2 壓縮溫變形過(guò)程中的真應(yīng)變-真應(yīng)力曲線

圖2顯示的是不同變形溫度和不同應(yīng)變速率條件下，壓下量為50%(即真應(yīng)變?yōu)?.69)時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖2可見，變形開始時(shí)流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加并達(dá)到峰值σp；之后應(yīng)變量繼續(xù)增加，流變應(yīng)力則保持不變或略有下降的應(yīng)力軟化現(xiàn)象。

圖2 試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(T=550,600,650 ℃)Fig.2 Stress-strain curve of tested steel at temperatures of 550,600,650 ℃

試驗(yàn)鋼出現(xiàn)的峰值應(yīng)力σp、峰值應(yīng)變?chǔ)舙與變形溫度、應(yīng)變速率有關(guān)。當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，峰值應(yīng)力σp隨著變形溫度的升高而降低，所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?chǔ)舙逐漸減小，如對(duì)于應(yīng)變速率為0.01 s-1下的壓縮變形來(lái)講，其變形溫度為550 ℃時(shí)的峰值應(yīng)力為272 MPa，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.355；600 ℃時(shí)為190 MPa，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.302；650 ℃時(shí)為125 MPa，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.28。

當(dāng)變形溫度一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大，峰值應(yīng)力σp逐漸增大，所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?chǔ)舙也逐漸增大，如對(duì)于變形溫度為600 ℃條件下的壓縮變形來(lái)講，其應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)的峰值應(yīng)力為190 MPa，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.302；應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)的峰值應(yīng)力為276 MPa，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.335；應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)的峰值應(yīng)力為329 MPa，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.388。

1.3 壓縮溫變形本構(gòu)方程的建立

為了定量描述壓縮溫變形過(guò)程中流變應(yīng)力與變形參數(shù)(變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變)的關(guān)系，本文采用Arrhenius 雙曲正弦函數(shù)，即：

(1)

式(1)中的參數(shù)α，其值為：

α=β/n1

(2)

(3)

(4)

式(3)取對(duì)數(shù)得：

(5)

對(duì)式(4)取對(duì)數(shù)得：

(6)

對(duì)式(1)取對(duì)數(shù)得：

(7)

將擬合得到的Q、n、α、A等代入式(1)，可得到試驗(yàn)鋼壓縮溫變形時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程：

(8)

根據(jù)式(8)確定的本試驗(yàn)條件下的變形溫度、應(yīng)變速率下峰值應(yīng)力的計(jì)算值與試驗(yàn)確定峰值應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比情況如圖3所示。由圖3可見，峰值應(yīng)力的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的相關(guān)性較高，方差為0.993，說(shuō)明式(8)能夠比較準(zhǔn)確地描述該石墨化中碳鋼壓縮溫變形過(guò)程中的峰值應(yīng)力變化情況。

圖3 峰值應(yīng)力σp計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性Fig.3 Correlation between calculated and experimental values of peak stress σp

1.4 壓縮溫變形的微觀組織

圖4顯示的是在變形溫度為550 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1、不同壓下量條件下壓縮變形過(guò)程中壓縮試樣大變形區(qū)內(nèi)的微觀組織。由圖4可見，隨著變形程度的增加，鐵素體在垂直于壓縮變形方向上逐漸被壓扁、伸長(zhǎng)而纖維化，石墨也由團(tuán)絮狀逐漸變形為纖維狀。因此，從鐵素體的變形形態(tài)來(lái)看，鐵素體主要是處于加工硬化狀態(tài)，沒有明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，即在大變形量(70%)試樣組織也沒有明顯的再結(jié)晶等軸晶粒，晶粒依舊保持著纖維狀。因此，對(duì)于550 ℃變形的壓縮試樣，其組織狀態(tài)是完全的形變組織。

圖5顯示的是在變形溫度為600 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1、不同壓下量條件下壓縮變形過(guò)程中壓縮試樣大變形區(qū)內(nèi)的微觀組織。由圖5可見，形變組織中的既有垂直于壓縮方向的纖維狀的鐵素體，也有細(xì)小、等軸狀的鐵素體。因此，組織中既有加工硬化狀態(tài)的鐵素體，也有再結(jié)晶狀態(tài)的鐵素體。隨著壓下量的增加，其再結(jié)晶狀態(tài)的鐵素體的數(shù)量增多。這說(shuō)明在此變形條件下試樣內(nèi)的部分鐵素體發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖6顯示的是在變形溫度為650 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1、不同壓下量條件下壓縮變形過(guò)程中壓縮試樣大變形區(qū)內(nèi)的微觀組織。由圖6可見，與圖5中的情況類似，相同的是形變組織既有加工硬化狀態(tài)的鐵素體，也有再結(jié)晶狀態(tài)的鐵素體;不同的是，在相同變形量的情況下，其再結(jié)晶狀態(tài)的鐵素體的數(shù)量增多。另外，與圖5不同的是，在30%壓下量下，形變組織中出現(xiàn)少量等軸的細(xì)小鐵素體晶粒。

圖4 變形溫度為550 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1變形條件下的形變組織Fig.4 Deformation microstructure under deformation temperature 550 ℃ and strain rate 0.01 s-1

圖5 變形溫度為600 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1變形條件下的形變組織Fig.5 Deformation microstructure under deformation temperature 600 ℃ and strain rate 0.01 s-1

圖6 變形溫度為650 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1變形條件下的形變組織Fig.6 Deformation microstructure under deformation temperature 650 ℃ and strain rate 0.01 s-1

1.5 溫壓縮變形時(shí)地再結(jié)晶組織的EBSD分析

為了更加直觀認(rèn)識(shí)鐵素體的再結(jié)晶情況，本文運(yùn)用背散射電子衍射(EBSD)技術(shù)數(shù)據(jù)處理軟件Channal5得到了變形溫度為600 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1變形條件下形變鐵素體組織的再結(jié)晶成像圖，如圖7所示。

圖7 鐵素體晶粒再結(jié)晶成像圖Fig.7 Recrystallization imaging of Ferrite Grain using EBSD

圖7中細(xì)小等軸狀表示再結(jié)晶晶粒，其余區(qū)域?yàn)閬喚?，以及變形晶粒，也即未再結(jié)晶的晶粒。由圖7中可見，隨著變形量的增加，基體中發(fā)生再結(jié)晶的比例逐漸增加，而且其分布較為彌散。從圖中還可以看出即使壓下量達(dá)到70%基體中仍然有大部分未再結(jié)晶的晶粒。

再結(jié)晶晶粒一般具有較大角度的邊界。為此，利用EBSD技術(shù)對(duì)鐵素體晶粒取向進(jìn)行了分析。圖8顯示的是在不同壓下量的晶粒取向差分布圖。由圖8可知，隨著變形量的增加，基體中大角度晶界所占的比例越來(lái)越大，對(duì)應(yīng)的小角度晶界比例減少，這說(shuō)明隨著變形量的增加，再結(jié)晶晶粒所占比例越來(lái)越大，這與圖7的結(jié)果是一致的。另外，圖8中仍顯示存在大量小角度晶界，這是由于溫變形的溫度低，大部分晶粒僅發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)形成亞晶粒所致。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由前述試驗(yàn)結(jié)果可見，同熱變形過(guò)程一樣，試驗(yàn)鋼在溫變形過(guò)程中也產(chǎn)生了加工硬化和回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化過(guò)程。

圖9顯示的是試驗(yàn)鋼在壓縮溫變形過(guò)程中的加工硬化率與應(yīng)變之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖9可見，對(duì)于550 ℃，在應(yīng)變范圍內(nèi)，其加工硬化率均大于零；對(duì)于600 ℃，從真應(yīng)變0.313開始，加工硬化率小于零；對(duì)于650 ℃，加工硬化率在真應(yīng)變0.296時(shí)出現(xiàn)小于零。這一結(jié)果與金相分析結(jié)果相一致(圖4、5、6、7)，即在應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，對(duì)于550 ℃變形溫度，其組織主要為纖維狀加工硬化組織，其流變曲線中的流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加；而對(duì)于600、650 ℃變形溫度，其組織出現(xiàn)等軸的鐵素體，這是鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化現(xiàn)象在組織上的表現(xiàn)；同時(shí)，在其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一程度時(shí)，其流變應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣档?，這是鐵素體回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化過(guò)程力學(xué)方面的宏觀表現(xiàn)，即軟化效應(yīng)大于硬化效應(yīng)。

圖8 不同壓下量的晶粒取向差的分布Fig.8 Distribution of grain orientation difference under different reduction

圖9 不同條件下加工硬化率和應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.9 Relationships between work harden rate and strain under various conditions

試驗(yàn)鋼壓縮溫變形時(shí)，加工硬化過(guò)程和回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化過(guò)程同時(shí)在進(jìn)行，并貫穿在溫變形的全過(guò)程中，這2個(gè)過(guò)程的發(fā)生程度決定了流變曲線的形狀(如圖2所示)。試驗(yàn)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，在塑性變形階段，其流變應(yīng)力不高，應(yīng)變較大，即曲線近似水平，這樣其塑性階段的加工硬化率也就較低。為此，本文結(jié)合試驗(yàn)鋼的原始、變形組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)流變應(yīng)力的這種變化特點(diǎn)的影響進(jìn)行了分析。試驗(yàn)鋼主要是由鐵素體和石墨粒子組成。在壓縮溫變形過(guò)程中，鐵素體具有良好的塑性變形性能，而且當(dāng)達(dá)到某一變形條件時(shí)，還可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這些特點(diǎn)將導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的流變應(yīng)力不高。而對(duì)于石墨粒子而言，石墨是六方結(jié)構(gòu)，其片層間距大，為共價(jià)鍵，層與層之間易于滑動(dòng)。如果石墨位于鐵素體晶界處，則鐵素體晶粒將因石墨粒子的存在而易于沿晶界滑動(dòng)，即鐵素體沿晶界的滑動(dòng)成為本試驗(yàn)條件下金屬塑性的機(jī)理之一。其原因在于石墨粒子易于滑動(dòng)，對(duì)變形阻力減小，此時(shí)，即使施加很小的應(yīng)力，也會(huì)發(fā)生晶粒沿晶界的相對(duì)滑動(dòng)，即鐵素體晶粒間的滑動(dòng)。另一種情況是，當(dāng)石墨粒子位于鐵素體晶粒內(nèi)部時(shí)，石墨粒子也可以起到晶內(nèi)潤(rùn)滑的作用，即當(dāng)鐵素體加工硬化到一定程度后，其進(jìn)一步纖維化將因石墨粒子的易滑動(dòng)也不需要太大的應(yīng)力就會(huì)發(fā)生，即易產(chǎn)生鐵素體晶內(nèi)纖維組織之間的滑動(dòng)。同時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到石墨粒子位置時(shí)，將因石墨粒子質(zhì)軟、易變形而對(duì)位錯(cuò)有松弛作用，這樣位錯(cuò)可動(dòng)性較高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻力較小而使材料產(chǎn)生較大的應(yīng)變，即在流變應(yīng)力不高的情況下可發(fā)生較大的應(yīng)變，這樣塑性階段的曲線形狀就近似直線狀，即加工硬化率低。

因此，本文認(rèn)為試驗(yàn)鋼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的性質(zhì)，將使試樣在壓縮溫變形過(guò)程的流變應(yīng)力不高，應(yīng)變較大，曲線近似水平，從而其塑性階段的加工硬化率也較低。

3 結(jié)論

1)試驗(yàn)鋼在變形溫度為550、600、650 ℃、應(yīng)變速率為0.01、0.1、1 s-1條件下的壓縮溫變形過(guò)程中，變形試樣表面及其組織內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)微觀或宏觀的裂紋；表明該鋼具有良好的壓縮溫變形性能；

2)試驗(yàn)鋼壓縮溫變過(guò)程中，其流變行為可用雙曲正弦模型來(lái)描述，其激活能為316 159.01 J/mol；且具有流變應(yīng)力不高，應(yīng)變較大，曲線近似水平的特點(diǎn)，即該鋼在塑性變形階段的較大應(yīng)變范圍內(nèi)具有較低的加工硬化率。本文認(rèn)為石墨粒子的易滑動(dòng)是導(dǎo)致流變曲線形狀變化特點(diǎn)的原因之一。

3)對(duì)于應(yīng)變速率為0.01 s-1的不同變形溫度550、600、650 ℃條件下的壓縮變形過(guò)程，其壓縮試樣大變形區(qū)內(nèi)的微觀組織特征與應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相一致，即550 ℃變形條件下的晶粒以纖維狀為主，即其流變應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾佣龃?，加工硬化為主?dǎo)；600、650 ℃變形條件下，當(dāng)達(dá)到一定變形程度后，晶粒既有呈纖維狀的，也有呈等軸狀的，即部分鐵素體出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軟化行為，這樣，隨著應(yīng)變的增加對(duì)應(yīng)的流變應(yīng)力不變或降低，即加工硬化和回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶貫穿該變形階段。