低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼的高溫?zé)崴苄匝芯?/h1>
2022-04-05 12:45:10李世偉彭其春肖愛(ài)達(dá)薛正良
武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2022年3期
李世偉，袁 清，彭其春，肖愛(ài)達(dá)，徐 光，薛正良
(1. 武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2. 湖南華菱漣源鋼鐵有限公司技術(shù)中心，湖南 婁底，417009)
近年來(lái)，面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和巨大的能源壓力，汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，汽車(chē)輕量化主要集中在車(chē)身、底盤(pán)、動(dòng)力系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)材料的輕量化方面，途徑包括使用低密度鎂合金、鋁合金替代材料或者開(kāi)發(fā)新型輕質(zhì)高強(qiáng)鋼來(lái)替代傳統(tǒng)鋼材。鎂鋁合金材料的機(jī)械性能及焊接性能較差，成型工藝復(fù)雜且成本較高，這使得未來(lái)的汽車(chē)車(chē)身仍將以輕質(zhì)高強(qiáng)鋼作為主要結(jié)構(gòu)材料。研究表明，Al元素可降低材料的平均摩爾質(zhì)量和晶格膨脹系數(shù)，從而降低鋼材密度[1-3]，在鋼中每添加1%的Al，其密度約下降1.3%[2]。目前研究中，低密度鋼大多是高錳高鋁鋼，即通過(guò)相變誘發(fā)塑性、孿晶誘發(fā)塑性等強(qiáng)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌性[4-5]。Fe-Mn-Al-C系低密度鋼兼具優(yōu)良的成型性能和焊接性能，在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6]，但Al元素的大量添加會(huì)導(dǎo)致冶煉過(guò)程中鋼液的可澆注性大大降低[7]，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
為此，本文設(shè)計(jì)了一種Mn、Al含量均較低的低密度鋼，采用Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)其在760～1200 °C的溫度范圍的高溫?zé)崴苄赃M(jìn)行研究，以期為該鋼種實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中矯直溫度及熱軋溫度的確定提供依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)材料為一種低Mn-Al系低密度鋼，其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)鋼冶煉在50 kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行，隨后澆鑄成鋼錠，鑄錠高度為350 mm，大頭直徑為180 mm，小頭直徑為130 mm。將鋼錠加熱至1200～1250 ℃均勻化處理1.5～2 h后，鍛造成 60 mm的圓棒，初鍛溫度為1100 ℃，終鍛溫度為850 ℃，鍛后空冷至室溫。
表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分
實(shí)驗(yàn)鋼的高溫?zé)崴苄詼y(cè)試在Gleeble 3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸見(jiàn)圖1。具體步驟為：在氬氣保護(hù)下，將試樣以15 ℃/s加熱至1200 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃/s的冷卻速率分別冷卻至760～1200 ℃不等，共11個(gè)溫度間隔點(diǎn)(由于微合金鋼第三脆性區(qū)一般出現(xiàn)在低溫區(qū)，故在760～850 ℃區(qū)間，以30 ℃為間隔設(shè)定拉伸溫度，850 ℃以上時(shí)，拉伸溫度間隔設(shè)置為50 ℃)，保溫1 min，隨后均以應(yīng)變速率0.01 s-1進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)，并記錄拉伸過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變。拉斷后，將試樣快冷到室溫，以保留其高溫狀態(tài)下的組織和斷口形貌。
圖1 熱拉伸試樣尺寸
實(shí)驗(yàn)完成后，繪制不同溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到對(duì)應(yīng)溫度下鋼的抗拉強(qiáng)度。使用超聲波清洗機(jī)清洗拉伸斷口，除去斷口表面氧化層，然后采用XTL-5000型體視顯微鏡和Nova 400 Nano型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察各試樣斷口形貌，利用Photoshop 2021軟件測(cè)量斷口室溫狀態(tài)下的斷面面積，計(jì)算得到各試樣的斷面收縮率RA(RA=(A0-A)/A×100%)。在斷口附近處取樣并制成金相試樣，依次經(jīng)打磨、拋光并用4%硝酸酒精侵蝕后，采用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察各試樣的金相組織。
2 結(jié)果及討論
2.1 斷口形貌表征
圖2所示為不同拉伸溫度下鋼樣的斷口形貌。由圖2可以看出，當(dāng)拉伸溫度較低時(shí)(不超過(guò)850 ℃)，試樣斷口上可以觀察到尺寸和深淺均不同的孔洞，斷口面積相對(duì)較大，而當(dāng)拉伸溫度升高至900 ℃及以上時(shí)，試樣斷口處幾乎觀察不到明顯的孔洞，斷口近乎光滑平直，并且隨著拉伸溫度的升高，拉伸斷口逐漸呈現(xiàn)錐形。另外，當(dāng)拉伸溫度超過(guò)1000 ℃時(shí)，可以明顯觀察到試樣斷口表面發(fā)生了輕微熔化。
(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃
(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃
(j)1150 ℃ (k)1200 ℃
圖3所示為不同拉伸溫度下鋼樣斷口的SEM照片(放大倍數(shù)為1000倍)。由圖3可見(jiàn)，試樣在760～900 ℃下進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，斷口處均有韌窩產(chǎn)生；拉伸溫度為760 ℃，試樣斷口形貌表現(xiàn)為深淺和大小不同的韌窩，拉伸溫度為790 ℃時(shí)，試樣表現(xiàn)為沿晶斷裂，韌窩數(shù)量減少且大小分布不均勻，該過(guò)程中，由于應(yīng)力集中使得裂紋優(yōu)先在原奧氏體晶界處析出的較軟的鐵素體中產(chǎn)生，隨著拉伸的不斷進(jìn)行，裂紋沿晶界長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致試樣斷裂；拉伸溫度為820 ℃時(shí)，斷口表現(xiàn)出穿晶延性斷裂特征，韌窩數(shù)量增多，其大小分布仍不均勻；拉伸溫度為850 ℃時(shí)，斷口表現(xiàn)為韌窩及準(zhǔn)解理形貌，韌窩數(shù)量減少而尺寸變大，大小分布較不均勻；900 ℃溫度下拉伸時(shí)，斷口為大小和深淺不同的等軸韌窩；拉伸溫度升至950～1050 ℃時(shí)，試樣的斷裂表面較為平坦；而1100 ℃以上拉伸時(shí)，試樣斷口處有液膜出現(xiàn)，斷口不再平坦，其中拉伸溫度為1100 ℃時(shí)，試樣頸縮使該斷口芯部產(chǎn)生了較深的孔洞。
(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃
(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃
(j)1150 ℃ (k)1200 ℃
2.2 斷口附近的顯微組織
圖4所示為不同拉伸溫度下鋼樣斷口附近區(qū)域的顯微組織。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)拉伸溫度較低(低于900 ℃)時(shí)，試樣斷口附近組織以鐵素體(F)、貝氏體(B)以及珠光體(P)為主；當(dāng)拉伸溫度為900 ℃時(shí)，鐵素體晶粒明顯粗化，珠光體數(shù)量減少，貝氏體板條清晰可見(jiàn)；拉伸溫度為950 ℃時(shí)，組織中可以觀察到大面積的貝氏體區(qū)，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，珠光體數(shù)量進(jìn)一步減少；隨著拉伸溫度升高至1050 ℃以上，斷口附近組織以貝氏體和鐵素體為主，鐵素體呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布特征。實(shí)驗(yàn)鋼快速冷卻后最終得到貝氏體+鐵素體組織，這是因?yàn)樵嚇永瓟嗪蟮睦鋮s速度小于20 ℃/s，并且保溫和從變形開(kāi)始到拉斷過(guò)程共耗時(shí)1.5 min，足以完成鐵素體或者貝氏體相變。
(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃
(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃
(j)1150 ℃ (k)1200 ℃
2.3 高溫?zé)崴苄?/h3>
圖5為利用光學(xué)體視顯微鏡拍攝得到的各試樣拉伸斷口的三維形貌照片(左側(cè)圖放大倍數(shù)為30倍，右側(cè)圖放大倍數(shù)為100倍)。從圖5可以看出，隨著拉伸溫度的升高，試樣拉伸斷口逐漸變得平滑，由低溫條件下(不超過(guò)850 ℃)的褶皺起伏狀轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貤l件下較為平直的狀態(tài)；900 ℃以下溫度拉伸時(shí)，試樣斷口的起伏較大、深淺不一，并且拉伸溫度為850 ℃時(shí)，試樣斷口中心的凹陷洞最深。此外，從圖5中還可以觀察到，在900 ℃以上拉伸時(shí)試樣斷口面積明顯小于850 ℃以下拉伸試樣的斷口面積，表明實(shí)驗(yàn)鋼在900～1200 ℃溫度范圍的熱塑性優(yōu)于在760～850 ℃溫度區(qū)間的熱塑性。
(a)760 ℃ (b)790 ℃
(c)820 ℃ (d)850 ℃
(e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃
(i)1100 ℃ (j)1150 ℃
(k)1200 ℃
實(shí)驗(yàn)鋼的熱拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖6所示。由圖6(b)可見(jiàn)，隨著拉伸溫度的升高，試樣抗拉強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槔鞙囟雀邔?duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)鋼的變形抗力減小(見(jiàn)圖6(a))，材料易于發(fā)生塑性變形。760 ℃拉伸時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到175 MPa。
(a)不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (b)抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系
實(shí)驗(yàn)鋼斷面收縮率隨拉伸溫度的變化曲線如圖7所示。斷面收縮率是衡量金屬熱塑性能的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為，當(dāng)RA<60%時(shí)，材料的熱塑性較差，并將該溫度段定義為塑性凹槽區(qū)或塑性低谷區(qū)。由圖7可知，實(shí)驗(yàn)鋼在790 ℃拉伸時(shí)，斷面收縮率最低僅為54.45%，該溫度處于實(shí)驗(yàn)鋼的塑性低谷區(qū)，亦即第三脆性區(qū)。出現(xiàn)第三脆性區(qū)的原因是該溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)鋼的鐵素體和奧氏體雙相區(qū)，強(qiáng)度較低的鐵素體沿奧氏體晶界析出，拉伸過(guò)程所產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致變形在鐵素體軟相中累積并產(chǎn)生微孔，在后續(xù)拉伸過(guò)程中，微孔聚集長(zhǎng)大，發(fā)展成裂紋，最終導(dǎo)致試樣斷裂。當(dāng)拉伸溫度降低到760 ℃，鐵素體不僅在晶界處析出，還可以在奧氏體晶粒內(nèi)部析出，這樣就使得晶界處與晶粒內(nèi)的強(qiáng)度差值減小，避免應(yīng)力在晶界處集中，材料的塑性反而得到提升。拉伸溫度超過(guò)820 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的熱塑性能顯著提升，這可能是因?yàn)楦邷叵吕鞎r(shí)試樣組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，伴隨著再結(jié)晶晶粒形核和長(zhǎng)大，基體中缺陷減少，延緩了裂紋產(chǎn)生。隨著拉伸溫度進(jìn)一步提升至950℃及以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的RA超過(guò)97%，仍表現(xiàn)出較好的熱塑性，并沒(méi)有出現(xiàn)第一脆性區(qū)，這是因?yàn)樽罡呃鞙囟?1200 ℃)還未達(dá)到鋼的熔點(diǎn)溫度，晶界強(qiáng)度沒(méi)有下降。工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，一般要求材料的斷面收縮率在80%以上，故實(shí)驗(yàn)鋼應(yīng)避免在760～820 ℃溫度范圍進(jìn)行軋制或連鑄壓下，以防裂紋產(chǎn)生。
圖7 實(shí)驗(yàn)鋼斷面收縮率隨熱拉伸溫度的變化
3 結(jié)論
(1)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼在850～1200 ℃溫度拉伸時(shí)，具有良好的高溫?zé)崴苄裕鋽嗝媸湛s率大于86%。
(2)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼在760～820 ℃溫度區(qū)間熱塑性相對(duì)較低，斷面收縮率均小于80%，790 ℃溫度拉伸時(shí)，鋼樣斷面收縮率僅為54.45%，表現(xiàn)為明顯的第三脆性區(qū)。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，要求鋼種的斷面收縮率大于80%，故該鋼種應(yīng)避免在760～820 ℃溫度區(qū)間進(jìn)行熱軋或連鑄壓下，以避免裂紋萌生及擴(kuò)展。
(3)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼出現(xiàn)塑性低谷的原因是先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，使晶界處強(qiáng)度降低，應(yīng)力在奧氏體晶界處集中導(dǎo)致較軟的鐵素體中產(chǎn)生微孔或裂紋，最終導(dǎo)致材料斷裂。
(4)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼的抗拉強(qiáng)度隨著拉伸溫度的升高而降低，760 ℃拉伸時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到175 MPa。
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為此，本文設(shè)計(jì)了一種Mn、Al含量均較低的低密度鋼，采用Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)其在760～1200 °C的溫度范圍的高溫?zé)崴苄赃M(jìn)行研究，以期為該鋼種實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中矯直溫度及熱軋溫度的確定提供依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)材料為一種低Mn-Al系低密度鋼，其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)鋼冶煉在50 kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行，隨后澆鑄成鋼錠，鑄錠高度為350 mm，大頭直徑為180 mm，小頭直徑為130 mm。將鋼錠加熱至1200～1250 ℃均勻化處理1.5～2 h后，鍛造成 60 mm的圓棒，初鍛溫度為1100 ℃，終鍛溫度為850 ℃，鍛后空冷至室溫。
表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分
實(shí)驗(yàn)鋼的高溫?zé)崴苄詼y(cè)試在Gleeble 3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸見(jiàn)圖1。具體步驟為：在氬氣保護(hù)下，將試樣以15 ℃/s加熱至1200 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃/s的冷卻速率分別冷卻至760～1200 ℃不等，共11個(gè)溫度間隔點(diǎn)(由于微合金鋼第三脆性區(qū)一般出現(xiàn)在低溫區(qū)，故在760～850 ℃區(qū)間，以30 ℃為間隔設(shè)定拉伸溫度，850 ℃以上時(shí)，拉伸溫度間隔設(shè)置為50 ℃)，保溫1 min，隨后均以應(yīng)變速率0.01 s-1進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)，并記錄拉伸過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變。拉斷后，將試樣快冷到室溫，以保留其高溫狀態(tài)下的組織和斷口形貌。
圖1 熱拉伸試樣尺寸
實(shí)驗(yàn)完成后，繪制不同溫度下實(shí)驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到對(duì)應(yīng)溫度下鋼的抗拉強(qiáng)度。使用超聲波清洗機(jī)清洗拉伸斷口，除去斷口表面氧化層，然后采用XTL-5000型體視顯微鏡和Nova 400 Nano型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察各試樣斷口形貌，利用Photoshop 2021軟件測(cè)量斷口室溫狀態(tài)下的斷面面積，計(jì)算得到各試樣的斷面收縮率RA(RA=(A0-A)/A×100%)。在斷口附近處取樣并制成金相試樣，依次經(jīng)打磨、拋光并用4%硝酸酒精侵蝕后，采用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察各試樣的金相組織。
2 結(jié)果及討論
2.1 斷口形貌表征
圖2所示為不同拉伸溫度下鋼樣的斷口形貌。由圖2可以看出，當(dāng)拉伸溫度較低時(shí)(不超過(guò)850 ℃)，試樣斷口上可以觀察到尺寸和深淺均不同的孔洞，斷口面積相對(duì)較大，而當(dāng)拉伸溫度升高至900 ℃及以上時(shí)，試樣斷口處幾乎觀察不到明顯的孔洞，斷口近乎光滑平直，并且隨著拉伸溫度的升高，拉伸斷口逐漸呈現(xiàn)錐形。另外，當(dāng)拉伸溫度超過(guò)1000 ℃時(shí)，可以明顯觀察到試樣斷口表面發(fā)生了輕微熔化。
(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃
(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃
(j)1150 ℃ (k)1200 ℃
圖3所示為不同拉伸溫度下鋼樣斷口的SEM照片(放大倍數(shù)為1000倍)。由圖3可見(jiàn)，試樣在760～900 ℃下進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，斷口處均有韌窩產(chǎn)生；拉伸溫度為760 ℃，試樣斷口形貌表現(xiàn)為深淺和大小不同的韌窩，拉伸溫度為790 ℃時(shí)，試樣表現(xiàn)為沿晶斷裂，韌窩數(shù)量減少且大小分布不均勻，該過(guò)程中，由于應(yīng)力集中使得裂紋優(yōu)先在原奧氏體晶界處析出的較軟的鐵素體中產(chǎn)生，隨著拉伸的不斷進(jìn)行，裂紋沿晶界長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致試樣斷裂；拉伸溫度為820 ℃時(shí)，斷口表現(xiàn)出穿晶延性斷裂特征，韌窩數(shù)量增多，其大小分布仍不均勻；拉伸溫度為850 ℃時(shí)，斷口表現(xiàn)為韌窩及準(zhǔn)解理形貌，韌窩數(shù)量減少而尺寸變大，大小分布較不均勻；900 ℃溫度下拉伸時(shí)，斷口為大小和深淺不同的等軸韌窩；拉伸溫度升至950～1050 ℃時(shí)，試樣的斷裂表面較為平坦；而1100 ℃以上拉伸時(shí)，試樣斷口處有液膜出現(xiàn)，斷口不再平坦，其中拉伸溫度為1100 ℃時(shí)，試樣頸縮使該斷口芯部產(chǎn)生了較深的孔洞。
(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃
(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃
(j)1150 ℃ (k)1200 ℃
2.2 斷口附近的顯微組織
圖4所示為不同拉伸溫度下鋼樣斷口附近區(qū)域的顯微組織。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)拉伸溫度較低(低于900 ℃)時(shí)，試樣斷口附近組織以鐵素體(F)、貝氏體(B)以及珠光體(P)為主；當(dāng)拉伸溫度為900 ℃時(shí)，鐵素體晶粒明顯粗化，珠光體數(shù)量減少，貝氏體板條清晰可見(jiàn)；拉伸溫度為950 ℃時(shí)，組織中可以觀察到大面積的貝氏體區(qū)，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，珠光體數(shù)量進(jìn)一步減少；隨著拉伸溫度升高至1050 ℃以上，斷口附近組織以貝氏體和鐵素體為主，鐵素體呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布特征。實(shí)驗(yàn)鋼快速冷卻后最終得到貝氏體+鐵素體組織，這是因?yàn)樵嚇永瓟嗪蟮睦鋮s速度小于20 ℃/s，并且保溫和從變形開(kāi)始到拉斷過(guò)程共耗時(shí)1.5 min，足以完成鐵素體或者貝氏體相變。
(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃
(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃
(j)1150 ℃ (k)1200 ℃
2.3 高溫?zé)崴苄?/h3>
圖5為利用光學(xué)體視顯微鏡拍攝得到的各試樣拉伸斷口的三維形貌照片(左側(cè)圖放大倍數(shù)為30倍，右側(cè)圖放大倍數(shù)為100倍)。從圖5可以看出，隨著拉伸溫度的升高，試樣拉伸斷口逐漸變得平滑，由低溫條件下(不超過(guò)850 ℃)的褶皺起伏狀轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貤l件下較為平直的狀態(tài)；900 ℃以下溫度拉伸時(shí)，試樣斷口的起伏較大、深淺不一，并且拉伸溫度為850 ℃時(shí)，試樣斷口中心的凹陷洞最深。此外，從圖5中還可以觀察到，在900 ℃以上拉伸時(shí)試樣斷口面積明顯小于850 ℃以下拉伸試樣的斷口面積，表明實(shí)驗(yàn)鋼在900～1200 ℃溫度范圍的熱塑性優(yōu)于在760～850 ℃溫度區(qū)間的熱塑性。
(a)760 ℃ (b)790 ℃
(c)820 ℃ (d)850 ℃
(e)900 ℃ (f)950 ℃
(g)1000 ℃ (h)1050 ℃
(i)1100 ℃ (j)1150 ℃
(k)1200 ℃
實(shí)驗(yàn)鋼的熱拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖6所示。由圖6(b)可見(jiàn)，隨著拉伸溫度的升高，試樣抗拉強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槔鞙囟雀邔?duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)鋼的變形抗力減小(見(jiàn)圖6(a))，材料易于發(fā)生塑性變形。760 ℃拉伸時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到175 MPa。
(a)不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (b)抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系
實(shí)驗(yàn)鋼斷面收縮率隨拉伸溫度的變化曲線如圖7所示。斷面收縮率是衡量金屬熱塑性能的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為，當(dāng)RA<60%時(shí)，材料的熱塑性較差，并將該溫度段定義為塑性凹槽區(qū)或塑性低谷區(qū)。由圖7可知，實(shí)驗(yàn)鋼在790 ℃拉伸時(shí)，斷面收縮率最低僅為54.45%，該溫度處于實(shí)驗(yàn)鋼的塑性低谷區(qū)，亦即第三脆性區(qū)。出現(xiàn)第三脆性區(qū)的原因是該溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)鋼的鐵素體和奧氏體雙相區(qū)，強(qiáng)度較低的鐵素體沿奧氏體晶界析出，拉伸過(guò)程所產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致變形在鐵素體軟相中累積并產(chǎn)生微孔，在后續(xù)拉伸過(guò)程中，微孔聚集長(zhǎng)大，發(fā)展成裂紋，最終導(dǎo)致試樣斷裂。當(dāng)拉伸溫度降低到760 ℃，鐵素體不僅在晶界處析出，還可以在奧氏體晶粒內(nèi)部析出，這樣就使得晶界處與晶粒內(nèi)的強(qiáng)度差值減小，避免應(yīng)力在晶界處集中，材料的塑性反而得到提升。拉伸溫度超過(guò)820 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的熱塑性能顯著提升，這可能是因?yàn)楦邷叵吕鞎r(shí)試樣組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，伴隨著再結(jié)晶晶粒形核和長(zhǎng)大，基體中缺陷減少，延緩了裂紋產(chǎn)生。隨著拉伸溫度進(jìn)一步提升至950℃及以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的RA超過(guò)97%，仍表現(xiàn)出較好的熱塑性，并沒(méi)有出現(xiàn)第一脆性區(qū)，這是因?yàn)樽罡呃鞙囟?1200 ℃)還未達(dá)到鋼的熔點(diǎn)溫度，晶界強(qiáng)度沒(méi)有下降。工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，一般要求材料的斷面收縮率在80%以上，故實(shí)驗(yàn)鋼應(yīng)避免在760～820 ℃溫度范圍進(jìn)行軋制或連鑄壓下，以防裂紋產(chǎn)生。
圖7 實(shí)驗(yàn)鋼斷面收縮率隨熱拉伸溫度的變化
3 結(jié)論
(1)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼在850～1200 ℃溫度拉伸時(shí)，具有良好的高溫?zé)崴苄裕鋽嗝媸湛s率大于86%。
(2)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼在760～820 ℃溫度區(qū)間熱塑性相對(duì)較低，斷面收縮率均小于80%，790 ℃溫度拉伸時(shí)，鋼樣斷面收縮率僅為54.45%，表現(xiàn)為明顯的第三脆性區(qū)。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，要求鋼種的斷面收縮率大于80%，故該鋼種應(yīng)避免在760～820 ℃溫度區(qū)間進(jìn)行熱軋或連鑄壓下，以避免裂紋萌生及擴(kuò)展。
(3)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼出現(xiàn)塑性低谷的原因是先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，使晶界處強(qiáng)度降低，應(yīng)力在奧氏體晶界處集中導(dǎo)致較軟的鐵素體中產(chǎn)生微孔或裂紋，最終導(dǎo)致材料斷裂。
(4)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼的抗拉強(qiáng)度隨著拉伸溫度的升高而降低，760 ℃拉伸時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到175 MPa。
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