F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型與晶粒尺寸數(shù)值模擬

吳曉東，王聯(lián)進(jìn)，謝堅(jiān)鋒，羅 銳

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

目前，采用非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車零部件已經(jīng)是汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。非調(diào)質(zhì)鋼由于不經(jīng)過(guò)淬火+回火處理，存在強(qiáng)韌性不足的缺點(diǎn)，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能夠起到軟化材料、細(xì)化晶粒的作用，對(duì)于改善材料的強(qiáng)韌性有著良好的效果[1-4]。非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性除受化學(xué)成分影響外，還受熱加工的影響。熱加工會(huì)影響再結(jié)晶過(guò)程，因此可通過(guò)對(duì)熱加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)控制冷卻速率以細(xì)化奧氏體晶粒，亦即通過(guò)控鍛-控冷，從而達(dá)到改善材料力學(xué)性能的目的[5-6]。LINAZA等[7]利用相變過(guò)程中TiN等第二相的析出來(lái)細(xì)化奧氏體晶粒并抑制再結(jié)晶，據(jù)此開(kāi)發(fā)出晶粒細(xì)小的非調(diào)質(zhì)鋼，強(qiáng)度和韌性都十分優(yōu)良。王進(jìn)等[8]利用熱模擬試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，建立F40MnV鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明在較高應(yīng)變速率和較低溫度下變形容易獲得更細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。邵肖靜等[9]通過(guò)單道次等溫壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大變形量有利于試驗(yàn)鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。盡管國(guó)內(nèi)對(duì)含硫非調(diào)質(zhì)鋼的研究已有很多，但是目前國(guó)產(chǎn)含硫非調(diào)質(zhì)鋼在綜合性能上仍與國(guó)外存在較大差距，主要表現(xiàn)為強(qiáng)韌性不足。為此，作者以F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼為研究對(duì)象，對(duì)該鋼進(jìn)行了不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下的單道次壓縮試驗(yàn)，研究了其變形行為和晶粒尺寸；以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶理論[10-11]為基礎(chǔ)，基于壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型和平均晶粒尺寸模型，模擬了不同條件變形后的晶粒尺寸并通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方法與結(jié)果

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為鑄態(tài)F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。在Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單道次熱壓縮試驗(yàn)，壓縮試樣的尺寸為φ8 mm×12 mm，變形溫度分別為950，1 000，1 050，1 100，1 150 ℃，應(yīng)變速率為0.01，0.1，1，5 s-1，變形量為5%，25%，45%，56%。熱壓縮完成后，將試樣水淬至室溫，并進(jìn)行切割、鑲嵌、磨制、拋光，在苦味酸溶液中進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕溫度為50～80 ℃，腐蝕時(shí)間為2～5 min，隨后在蔡司Axio Observer Z1M型光學(xué)顯微鏡下觀察試樣顯微組織。

表1 F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼的主要化學(xué)成分

1.2 顯微組織

由圖1可以看出，隨著壓縮變形量的增加，試樣中的新生晶粒逐漸增多，晶粒的平均尺寸逐漸減小。這是由于變形量的增加提高了變形儲(chǔ)存的激活能，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更易發(fā)生，晶粒得到細(xì)化。

圖1 在1 050 ℃、應(yīng)變速率0.1 s-1、不同變形量下壓縮后試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of samples after compression to different deformation amounts at 1 050 ℃ and 0.1 s-1 strain rate

壓縮后試樣邊緣的晶粒尺寸遠(yuǎn)大于試樣中心，如圖2所示；計(jì)算得到在變形溫度1 000 ℃、應(yīng)變速率5 s-1下壓縮至變形量56%時(shí)試樣邊緣和中心的平均晶粒尺寸分別為23.32，8.41 μm。在壓縮過(guò)程中，試樣中心的變形大于試樣兩側(cè)邊緣的變形，由此也可證明動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸會(huì)隨著變形量的提高而降低。

圖2 在1 000 ℃、應(yīng)變速率5 s-1下壓縮至變形量56%時(shí)試樣邊緣與中心的晶粒對(duì)比Fig.2 Comparison of grains at edge (a) with grains in core (b) of samples after compression to 56% deformation amount at 1 000 ℃ and 5 s-1 strain rate

由圖3可知：隨著應(yīng)變速率的升高，試樣中的再結(jié)晶晶粒尺寸不斷減小，這是由于低應(yīng)變速率為再結(jié)晶晶粒提供了充足的長(zhǎng)大時(shí)間，而高應(yīng)變速率下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒在較短的時(shí)間內(nèi)無(wú)法充分長(zhǎng)大，晶?；冚^大，晶粒尺寸較??；隨著溫度的升高，試樣的平均晶粒尺寸不斷增大，這是由于高溫可以為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大提供更多的能量。統(tǒng)計(jì)得到不同變形條件下試樣中心位置的平均晶粒尺寸見(jiàn)表2。

圖3 不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下壓縮至變形量56%時(shí)試樣的顯微組織Fig.3 Microstructures of samples after compression to 56% deformation amount at different deformation temperatures and different strain rates

表2 不同熱變形條件下試樣的平均晶粒尺寸(中心位置)

1.3 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

由圖4可以看出，在不同應(yīng)變速率和變形溫度下壓縮時(shí)，試樣的真應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增加先迅速增大，到達(dá)峰值后開(kāi)始下降，表現(xiàn)出熱加工過(guò)程中典型的加工硬化和加工軟化特征。在變形開(kāi)始階段，加工硬化占主導(dǎo)，位錯(cuò)不斷增殖，位錯(cuò)間存在相互作用力，導(dǎo)致應(yīng)力增加；隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，加工軟化占主導(dǎo)，變形中的熱激活、位錯(cuò)相消和位錯(cuò)重排等行為使得應(yīng)力下降。在高應(yīng)變速率下(1，5 s-1)，加工軟化導(dǎo)致的應(yīng)力下降并不明顯，說(shuō)明加工軟化以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度較??；在低應(yīng)變速率下(0.01，0.1 s-1)，加工軟化導(dǎo)致的應(yīng)力下降明顯，說(shuō)明發(fā)生了程度較高的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖4 在不同應(yīng)變速率和變形溫度下壓縮時(shí)試樣的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-true strain curves of samples during compression at different strain rates and deformation temperatures

2 臨界應(yīng)變模型的建立

臨界應(yīng)變是不同熱變形條件下金屬材料開(kāi)始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。熱壓縮過(guò)程中材料在達(dá)到臨界應(yīng)變時(shí)積累了足夠的位錯(cuò)密度，為再結(jié)晶晶粒的形核提供了必要的條件。臨界應(yīng)變模型[12-13]如下：

εc=aεp

(1)

(2)

由試驗(yàn)獲取的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(圖4)得到不同熱變形條件下的峰值應(yīng)變，如表3所示。

表3 不同熱變形條件下試樣的峰值應(yīng)變

(3)

式(3)兩邊取對(duì)數(shù)可得：

(4)

(5)

圖和ln εp-(RT)-1擬合曲線Fig.5 Fitting curves of ln εp-ln and ln εp-(RT)-1(b)

3 平均晶粒尺寸模型與數(shù)值模擬

3.1 平均晶粒尺寸模型的建立

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程是新晶粒形核與生長(zhǎng)的過(guò)程。晶粒尺寸受熱變形條件的影響存在差異，可通過(guò)建立平均晶粒尺寸模型分析求解。平均晶粒尺寸理論模型[14-15]如下：

(6)

式中：drex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸；ε0為初始應(yīng)變；a3，h2，n2，m2為待定常數(shù)；Q2為激活能。

(7)

式(7)兩端取對(duì)數(shù)，得

(8)

將表2中的數(shù)據(jù)代入式(8)中進(jìn)行線性擬合，求得n2=-0.239 06，m2=-0.073 03，Q2=73 275 J·mol-1，a4=8 284。將這些參數(shù)代入式(7)，即可得到試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼的平均晶粒尺寸模型，如下：

(9)

3.2 平均晶粒尺寸模擬結(jié)果及驗(yàn)證

將式(5)、式(9)嵌入Deform軟件子程序中進(jìn)行模擬計(jì)算，將模擬得到的平均晶粒尺寸與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證式(9)的準(zhǔn)確性以及通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行組織模擬的可靠性，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2.1 變形量對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

由圖6可以看出：在1 050 ℃、應(yīng)變速率0.1 s-1下，隨著變形量的增加，代表粗晶粒的紅色區(qū)域減小，代表細(xì)晶粒的淺藍(lán)色區(qū)域增大，并且與試樣中心對(duì)比，試樣頂部和試樣兩側(cè)晶粒的細(xì)化相對(duì)滯后；壓縮變形量為25%，45%，56%時(shí)，試樣中心的平均晶粒尺寸分別在18～20 μm，12～14 μm，11～13 μm，與表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。模擬結(jié)果顯示，再結(jié)晶平均晶粒尺寸隨著變形量的增加而減小。

圖6 在1 050 ℃、應(yīng)變速率0.1 s-1、不同變形量下試樣平均晶粒尺寸數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Average grain size numerical simulation of samples after compression to different deformation amounts at 1 050 ℃ and 0.1 s-1 strain rate: (a-d) size nephogram and (e-h) size histogram

3.2.2 應(yīng)變速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

由圖7可以看出：在變形溫度1 000 ℃下，隨著應(yīng)變速率增加，代表粗晶粒的淺藍(lán)色區(qū)域減小，代表細(xì)晶粒的深藍(lán)色區(qū)域增大，并且低應(yīng)變速率下各區(qū)域顏色相對(duì)統(tǒng)一，高應(yīng)變速率下各區(qū)域顏色差異較大；在應(yīng)變速率為0.01，0.1，1，5 s-1下試樣中心的平均晶粒尺寸分別在12～14 μm，9～11 μm，8～10 μm，7～9 μm，與表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。模擬結(jié)果顯示，在易變形區(qū)(試樣中心)的平均晶粒尺寸隨著應(yīng)變速率的增大而減小。

圖7 在1 000 ℃、不同應(yīng)變速率下壓縮至變形量56%時(shí)試樣平均晶粒尺寸數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Average grain size numerical simulation of samples after compression to 56% deformation amount at 1 000 ℃ and different strain rates: (a-d) size nephogram and (e-h) size histogram

3.2.3 變形溫度對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

由圖8可以看出：在應(yīng)變速率0.1 s-1下，隨著變形溫度的升高，代表細(xì)晶粒的深藍(lán)色區(qū)域減小，代表粗晶粒的黃綠色區(qū)域增大，且各區(qū)域的顏色相對(duì)統(tǒng)一；變形溫度為950，1 100，1 150 ℃時(shí)試樣中心的平均晶粒尺寸分別在7～8 μm，16～18 μm，20～22 μm，與表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。模擬結(jié)果顯示，再結(jié)晶平均晶粒尺寸隨著變形溫度的升高而增大。

圖8 在不同變形溫度、應(yīng)變速率0.1 s-1下壓縮至變形量56%時(shí)試樣平均晶粒尺寸數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Average grain size numerical simulation of samples after compression to 56% deformation amount at different deformation temperatures and 0.1 s-1 strain rate: (a-c) size nephogram and (d-f) size histogram

4 結(jié) 論

(1) 在變形溫度950～1 150 ℃、應(yīng)變速率0.01～5 s-1、變形量5%～56%條件下，隨著變形量的增加，F(xiàn)45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼中的再結(jié)晶晶粒數(shù)量增多，平均晶粒尺寸減??；隨著應(yīng)變速率的增大或變形溫度的降低，再結(jié)晶晶粒尺寸減?。惠^高應(yīng)變速率下加工軟化以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度較小，較低應(yīng)變速率下加工軟化導(dǎo)致的應(yīng)力下降明顯，試驗(yàn)鋼發(fā)生了程度較高的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

(2) 基于F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼在不同熱變形條件下的峰值應(yīng)變和平均晶粒尺寸數(shù)據(jù)，分別建立該鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸模型，并嵌入Deform軟件子程序中模擬得到不同條件下試樣中心的平均晶粒尺寸，晶粒尺寸的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并且晶粒尺寸隨變形量、變形溫度、應(yīng)變速率的變化規(guī)律也與試驗(yàn)結(jié)果相符。