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      15Cr12CuSiMoMn鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)

      2022-03-16 07:00:12,,
      金屬熱處理 2022年2期
      關(guān)鍵詞:晶界奧氏體晶粒

      , ,

      (內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

      隨著國(guó)家“十四五”規(guī)劃發(fā)布,明確指出國(guó)家戰(zhàn)略需求為實(shí)際導(dǎo)向推進(jìn)創(chuàng)新體系優(yōu)化組合,引領(lǐng)戰(zhàn)略科技力量。鋼鐵材料作為裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)材料,特別是目前諸多尖端科技領(lǐng)域所需的核心材料部件,仍然存在著技術(shù)瓶頸,其主要在于材料研發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)。目前服役常用的高強(qiáng)鋼有PCrNi3MoV鋼、P92熱電用鋼,但是研究發(fā)現(xiàn)鋼材的組織類型會(huì)影響其耐腐蝕性、耐磨性和熱強(qiáng)性,高強(qiáng)度、高屈強(qiáng)比的同時(shí)會(huì)帶來(lái)韌性降低等缺點(diǎn),碳化物的尺寸不均勻,在后續(xù)的加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生缺陷,進(jìn)而影響生產(chǎn)安全?;谏鲜鲈蛟O(shè)計(jì)低碳合金鋼15Cr12CuSiMoMn,調(diào)質(zhì)處理后得到貝氏體組織,貝氏體組織貫穿原奧氏體晶粒內(nèi)部,利用貝氏體組織高強(qiáng)度、高韌性的特性,可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)負(fù)載苛刻的環(huán)境。貝氏體強(qiáng)化的主要機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化是目前兼具提高材料強(qiáng)度還能夠保持材料塑韌性的一種手段。晶粒尺寸及晶粒長(zhǎng)大行為是材料微觀結(jié)構(gòu)觀察中最重要的環(huán)節(jié),為了獲得理想的組織與性能,以及實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的高值化利用,掌握材料的奧氏體晶粒動(dòng)力學(xué)規(guī)律至關(guān)重要。

      隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)原奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為動(dòng)力學(xué)研究的深入,建立了一些關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型[1-2],Lee等[3]通過(guò)運(yùn)用經(jīng)典動(dòng)力學(xué)公式來(lái)預(yù)測(cè)合金材料的原奧氏體晶粒尺寸。Sellars等[4]在合金鋼熱軋過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了奧氏體晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài)規(guī)律,并建立了C-Mn鋼晶粒長(zhǎng)大模型。陳禮清等[5]在Sellars模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出了時(shí)間因子m的影響,建立了引入因子m的關(guān)于Inconel 718合金在等溫與非等溫?zé)崽幚碇贫认碌膴W氏體晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)模型。

      本文通過(guò)15Cr12CuSiMoMn鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大試驗(yàn),分析總結(jié)了不同奧氏體化溫度及對(duì)應(yīng)保溫時(shí)間下該鋼種晶粒長(zhǎng)大行為的規(guī)律,建立了奧氏體晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)模型,以期為貝氏體鋼的生產(chǎn)工藝提供參考。

      1 試驗(yàn)材料及方法

      表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

      2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

      2.1 加熱溫度對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為的影響

      圖1為試驗(yàn)鋼在900~1100 ℃下保溫60 min后原奧氏體晶粒形貌。奧氏體晶粒隨著奧氏體化溫度的升高尺寸在不斷增加。當(dāng)奧氏體化溫度為900 ℃時(shí),奧氏體晶粒細(xì)小且形狀不規(guī)則。當(dāng)溫度升高到1000 ℃時(shí),組織中晶粒均勻長(zhǎng)大,平均晶粒尺寸為40.18 μm。當(dāng)加熱為1000 ℃以上時(shí),奧氏體晶粒發(fā)生明顯粗化,部分奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大,平均晶粒尺寸為85.13 μm。說(shuō)明奧氏體化溫度為1000 ℃時(shí),晶粒長(zhǎng)大接近于異常長(zhǎng)大的臨界點(diǎn)。

      表2為試驗(yàn)鋼在不同奧氏體化溫度下保溫60 min后晶粒的尺寸及對(duì)應(yīng)的晶粒度,在900~1000 ℃時(shí)晶粒長(zhǎng)大相對(duì)緩慢,平均晶粒尺寸由5.01 μm長(zhǎng)大到1000 ℃的40.18 μm,晶粒度級(jí)別由12降到6;1000~1100 ℃時(shí),晶粒長(zhǎng)大速率加快,平均晶粒尺寸由40.18 μm長(zhǎng)大到1100 ℃的114.32 μm。對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后,如圖2(a)所示,隨著奧氏體化溫度的升高,晶粒尺寸整體呈近似指數(shù)級(jí)數(shù)量關(guān)系y=x0.91-452,x為奧氏體化溫度,y為平均晶粒尺寸,符合晶粒長(zhǎng)大規(guī)律Avrami法則,晶粒尺寸滿足冪函數(shù)[6]。

      圖1 試驗(yàn)鋼在不同奧氏體化溫度下保溫60 min后的奧氏體晶粒形貌Fig.1 Austenite grain morphologies of the tested steel held at different temperatures for 60 min(a) 900 ℃; (b) 950 ℃; (c) 975 ℃; (d) 1000 ℃; (e) 1050 ℃; (f) 1100 ℃

      表2 不同奧氏體化溫度下保溫60 min后試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸和晶粒度級(jí)別

      圖2 試驗(yàn)鋼在不同奧氏體溫度下保溫60 min后的平均晶粒尺寸(a)及晶粒尺寸分布(b)Fig.2 Average grain size(a) and grain size distribution(b) of the tested steel held at different austenitizing temperatures for 60 min

      奧氏體晶粒長(zhǎng)大是擴(kuò)散、熱激活、晶界遷移共同作用的結(jié)果,奧氏體晶粒長(zhǎng)大通過(guò)晶粒之間的相互吞并方式進(jìn)行[7],其實(shí)質(zhì)是晶界的遷移[8-9]。這種吞并依靠晶界的移動(dòng)進(jìn)行,驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于兩方面,一方面為晶界遷移前后界面能的差值,既總界面能降低;另一方面晶界的遷移還與晶界曲率有關(guān),晶粒曲率產(chǎn)生化學(xué)位差以提供驅(qū)動(dòng)力,總是向著曲率中心移動(dòng),大尺寸晶粒一般具有凹面,小尺寸晶粒具有凸面,凸側(cè)的化學(xué)位高,因此為趨于穩(wěn)定一般為大尺寸晶粒吞并小尺寸晶粒,晶界趨于平直且晶界之間的夾角趨于120°[10]。觀察圖1可知,1000 ℃以下,奧氏體晶界平直,1000 ℃以上奧氏體晶粒開(kāi)始粗化,1050~1100 ℃時(shí)晶粒進(jìn)一步粗化,晶界凹凸,未達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。對(duì)試驗(yàn)鋼在相同時(shí)間不同奧氏體化溫度下獲得的晶粒尺寸分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖2(b)所示。各奧氏體化溫度下試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸呈近似正態(tài)分布規(guī)律,正態(tài)峰值橫坐標(biāo)不斷向右移動(dòng),主峰值比例隨著奧氏體化溫度升高呈先降低后增加又降低的變換規(guī)律。奧氏體化溫度為900 ℃時(shí),小于10 μm的晶粒占比最大,占比80%,該溫度下幾乎沒(méi)有大于30 μm的晶粒。隨著溫度升高到1100 ℃,該溫度下尺寸在50~80 μm的晶粒占比約40%,尺寸大于80 μm的晶粒增多,占比約55%。

      2.2 加熱時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為的影響

      在1000 ℃分別保溫15、30、45、60、90和120 min后15Cr12CuSiMoMn試驗(yàn)鋼的晶粒形貌如圖3所示。隨著奧氏體保溫時(shí)間的延長(zhǎng),前期奧氏體晶粒相對(duì)細(xì)小且晶界彎曲,這是由于整個(gè)體系的界面能仍未釋放完畢。試驗(yàn)鋼晶粒尺寸不斷增加,后期原奧氏體晶界趨于平直,晶界穩(wěn)定且明顯,晶界呈約120°夾角,原奧氏體晶粒度均勻。

      圖3 試驗(yàn)鋼在1000 ℃保溫不同時(shí)間后的晶粒形貌Fig.3 Grain morphologies of the tested steel held at 1000 ℃ for different time(a) 15 min; (b) 30 min; (c) 45 min; (d) 60 min; (e) 90 min; (f) 120 min

      如圖4(a)所示,晶粒長(zhǎng)大行為呈近似于拋物線勻減速規(guī)律y=-0.1x2-0.37x+54,x為保溫時(shí)間,y為奧氏體晶粒尺寸。滿足Avrami法則,晶粒尺寸是保溫時(shí)間的拋物線函數(shù)[11]。對(duì)試驗(yàn)鋼在1000 ℃下保溫不同時(shí)間后獲得的晶粒尺寸分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由圖4(b)可知,其奧氏體晶粒尺寸分布近似滿足正態(tài)分布規(guī)律,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),占比峰值橫坐標(biāo)逐漸右移,在長(zhǎng)大過(guò)程中晶粒尺寸逐漸均勻。

      圖5為奧氏體化溫度、時(shí)間與試驗(yàn)鋼晶粒尺寸的關(guān)系曲線,不同奧氏體化保溫時(shí)間對(duì)晶粒尺寸的影響不同。對(duì)比圖5發(fā)現(xiàn),在相同奧氏體化溫度下,晶粒尺寸隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)緩慢增大,前期在15~60 min保溫時(shí)間范圍內(nèi)晶粒尺寸增大速率較快,后期在60~120 min保溫時(shí)間范圍內(nèi)晶粒尺寸近似于一個(gè)平臺(tái)期,晶粒尺寸增大速率幾乎不變。奧氏體化溫度較低時(shí),晶粒增長(zhǎng)速度緩慢,越容易早到達(dá)尺寸極大值。而奧氏體化溫度較高時(shí),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),晶粒尺寸會(huì)略晚達(dá)到穩(wěn)定尺寸。這是由于不同溫度下熱輸入量的差異對(duì)晶界遷移所提供的能量不同,較低溫度下位錯(cuò)雖然沒(méi)有完全消耗,但是原子擴(kuò)散所需要的能量不足以使之驅(qū)動(dòng),導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大速率放緩[12]。當(dāng)奧氏體化溫度在900~1000 ℃時(shí),晶粒在此溫度區(qū)間不隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大,但是在1000~1100 ℃時(shí)奧氏體晶粒容易發(fā)生快速粗化長(zhǎng)大。說(shuō)明相對(duì)于奧氏化加熱溫度,保溫時(shí)間對(duì)晶粒尺寸的影響相對(duì)較小。在一定的加熱溫度下,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),晶粒逐漸長(zhǎng)大并在達(dá)到一定尺寸后趨于平穩(wěn)不再長(zhǎng)大,達(dá)到晶粒尺寸的極大值。這是因?yàn)榫ЯiL(zhǎng)大需要源源不斷的驅(qū)動(dòng)力作為支撐,一般來(lái)源于位錯(cuò)線缺陷[13],隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),位錯(cuò)通過(guò)滑移攀移等運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)并且不斷消耗,晶界趨近于平直,沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)力維持晶界遷移,晶粒長(zhǎng)大趨于穩(wěn)定。

      圖5 奧氏體化溫度、保溫時(shí)間與試驗(yàn)鋼晶粒尺寸的關(guān)系Fig.5 Relationship between austenitizing temperature, holding time and grain size of the tested steel

      2.3 奧氏體晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)模型

      對(duì)圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合,研究試驗(yàn)鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的規(guī)律,并建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)后續(xù)熱處理過(guò)程有重要的指導(dǎo)意義。在奧氏體晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程中,奧氏體化溫度和保溫時(shí)間是最主要的兩個(gè)因素且不可分割,綜合考慮可以借鑒Arrhenius公式進(jìn)行建模[14],如公式(1)所示。

      D=Atnexp(-Q/(RT))

      (1)

      式中:D為奧氏體晶粒長(zhǎng)大后的平均晶粒尺寸,μm;A和n為常數(shù);t為保溫時(shí)間,s;Q為晶界激活能,J/mol;R為氣體常數(shù),取值8.314 J/(mol·K);T為加熱溫度,K。對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得到式(2):

      lnD=-Q/(RT)+lnA+nlnt

      (2)

      代入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合,得到lnD-1/T,lnD-lnt的關(guān)系,前者斜率為-Q/R,后者斜率為n。

      圖6 試驗(yàn)鋼奧氏體晶粒尺寸與奧氏體化溫度、保溫時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between austenite grain size of the tested steel and heating temperature and holding time(a) lnD-1/T; (b) lnD-lnt

      從圖6可以確認(rèn)900~1000 ℃與1050~1100 ℃曲線的斜率不同,15~45 min和60~120 min曲線的斜率也不同。對(duì)不同奧氏體化溫度下對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間進(jìn)行分段建模。當(dāng)奧氏體化溫度在900~1000 ℃時(shí),晶粒緩慢長(zhǎng)大,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),超過(guò)60 min保溫時(shí)間后,趨于平緩;當(dāng)奧氏體化溫度在1050~1100 ℃時(shí),保溫時(shí)間不超過(guò)60 min時(shí)晶粒粗化顯著,長(zhǎng)大速率較快。因而分段討論奧氏體化溫度900~1000 ℃、保溫時(shí)間15~45 min,900~1000 ℃、保溫時(shí)間60~120 min;1050~1100 ℃、保溫時(shí)間15~45 min;1050~1100 ℃、保溫時(shí)間60~120 min的建模過(guò)程和結(jié)果。對(duì)數(shù)據(jù)擬合后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,見(jiàn)表3,將所得參數(shù)代入公式(1)可得到相應(yīng)奧氏體化溫度下晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)模型。

      表3 試驗(yàn)鋼的奧氏體晶粒尺寸模型系數(shù)

      圖7 試驗(yàn)鋼奧氏體晶粒生長(zhǎng)模型計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of grain growth model of the tested steel

      試驗(yàn)鋼晶粒尺寸分段建模后模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。對(duì)比圖7與圖5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在1050 ℃保溫120 min誤差最大,為6 μm,在900 ℃保溫15 min誤差最小,為1 μm,模型計(jì)算結(jié)果接近于實(shí)際測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,誤差范圍為2%<ΔXi<5%,ΔXi為誤差值占實(shí)際值的百分比。

      隨著奧氏體化溫度的升高,晶界擴(kuò)散激活能降低。由于晶界遷移所需激活能較低,因而在溫度較低時(shí),晶粒的生長(zhǎng)主要靠晶界遷移為主要方式。隨著溫度的升高,當(dāng)溫度所能提供的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到體擴(kuò)散所需要的驅(qū)動(dòng)力時(shí),體擴(kuò)散的擴(kuò)散速率大于此時(shí)晶界擴(kuò)散的速率,體擴(kuò)散時(shí)溫度的升高使得晶內(nèi)空位原子的平衡空位濃度上升,因此加熱溫度到達(dá)某一臨界值,晶粒粗化顯著。在低溫與高溫下,晶粒長(zhǎng)大行為的機(jī)制并不相同[15]。n值為晶粒長(zhǎng)大常數(shù),它與材料本身和溫度有關(guān),隨著溫度的升高而增加[16]。根據(jù)模型預(yù)測(cè)所得結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近,綜上所述,本文所建模型是可信的,在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定參考及指導(dǎo)意義。

      3 結(jié)論

      1) 同一奧氏體化保溫時(shí)間下,隨著奧氏體化溫度的升高,15Cr12CuSiMoMn鋼的原奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為呈現(xiàn)冪函數(shù)長(zhǎng)大規(guī)律,奧氏體化溫度在1000 ℃以上時(shí),晶粒明顯開(kāi)始粗化長(zhǎng)大。

      2) 相同奧氏體化溫度下,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸與時(shí)間呈現(xiàn)出類拋物線的減速運(yùn)動(dòng)關(guān)系。當(dāng)保溫時(shí)間在60 min以內(nèi)時(shí),晶粒長(zhǎng)大速率較快,溫度越高,晶粒達(dá)到穩(wěn)定尺寸的時(shí)間會(huì)延后;保溫時(shí)間大于60 min時(shí),晶粒長(zhǎng)大趨于平穩(wěn)。

      3) 建立了15Cr12CuSiMoMn鋼在不同奧氏體化溫度及保溫時(shí)間下晶粒長(zhǎng)大行為的預(yù)測(cè)模型,模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合度較好,可用于定量計(jì)算。

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