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        一種耐候鋼的靜態(tài)軟化行為及微觀組織演變

        2014-07-13 07:07:30鄒悟會任鳳章秦小才
        關(guān)鍵詞:道次耐候再結(jié)晶

        鄒悟會,熊 毅,任鳳章,秦小才,王 珊

        (1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽471023;2.河南省中原內(nèi)配股份有限公司,河南孟州454750;3.青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,青海西寧810016)

        0 引言

        耐候鋼是指在大氣中具有良好耐蝕性的一類低碳低合金鋼,廣泛應(yīng)用于鐵道機(jī)車車體、橋梁、房屋等金屬構(gòu)件領(lǐng)域[1],目前中國鐵路車輛車體多由耐候鋼板冷沖和焊接成型。隨著對鐵路車輛車體高速化和輕量化要求的日益迫切,要求鐵道車輛用板材兼具優(yōu)良的耐蝕性和較高的強(qiáng)度指標(biāo),在滿足惡劣服役條件的同時減輕車輛自身質(zhì)量;同時還要求板材具有較高的塑性和較大的加工硬化指數(shù),保證其具有優(yōu)良的冷成形性[2-4]。而雙相鋼則正好具備上述優(yōu)點(diǎn)[5-6],為此將傳統(tǒng)耐候鋼進(jìn)行雙相化處理,使之具有更優(yōu)越性能[7-9],將具有重要的意義和廣闊的發(fā)展前景?;谏鲜霰尘跋?,本文擬在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對Cu-P-Cr-Ni-Mo耐候鋼進(jìn)行雙道次熱壓縮試驗(yàn),對其靜態(tài)軟化行為進(jìn)行系統(tǒng)研究,為耐候鋼的熱軋雙相化提供技術(shù)支持。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        采用50 kg真空感應(yīng)爐熔煉試驗(yàn)材料,其主要化學(xué)成分如表1所示。將合金鑄錠改鍛成φ14 mm的圓棒,首先對其在950℃進(jìn)行2 h的正火處理,然后車削加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣。

        表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

        1.2 熱變形試驗(yàn)

        試驗(yàn)用鋼的雙道次熱變形試驗(yàn)在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣以10℃/s的加熱速率迅速升溫至1 150℃后保持5 min,然后再以10℃/s的冷卻速率冷至相應(yīng)的變形溫度后保溫2 min,然后以5 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行雙道次壓縮試驗(yàn),真應(yīng)變分別為0.3(第1次壓縮)和0.2(第2次壓縮),道次間隔時間分別為:1 s、10 s、100 s、500 s、1 000 s。立刻噴水冷卻至室溫。將熱變形試樣沿軸向中心進(jìn)行線切割,制備金相試樣,在Neophot-21型光學(xué)顯微鏡上觀察心部金相組織,腐蝕劑為過飽和苦味酸加十二烷基苯磺酸鈉溶液,水浴加熱至82℃。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

        2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

        耐候鋼雙道次壓縮試驗(yàn)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。在同一變形溫度下,隨著道次間隔時間的增加,相鄰第2道次的變形抗力越來越低,當(dāng)變形溫度為850℃時,隨著道次間隔時間從1 s增加至1 000 s,相鄰第2道次的變形抗力從450 MPa下降至340 MPa左右,如圖1e所示;而在相同的間隔時間內(nèi),隨著變形溫度從850℃增加至1 100℃時,相鄰第2道次的變形抗力分別從450 MPa(間隔時間1 s)下降至240 MPa(間隔時間1 s),如圖1a和圖1e所示。該現(xiàn)象意味著靜態(tài)再結(jié)晶程度進(jìn)行得愈加充分,與此相對應(yīng)的靜態(tài)軟化程度也就越大,相鄰第2道次的變形抗力也就越低;而隨著變形溫度的下降,相鄰第2道次的變形抗力越來越大,表明此時靜態(tài)再結(jié)晶程度進(jìn)行的很不充分,靜態(tài)軟化程度較小。造成該現(xiàn)象的關(guān)鍵原因在于變形溫度,眾所周知,溫度越高,金屬原子的擴(kuò)散能力越強(qiáng),越容易進(jìn)行塑性變形,位錯運(yùn)動的阻力也就越小,由于變形引起的加工硬化程度也就很弱,形變儲能在金屬內(nèi)部殘留較少,相鄰第2道次的變形抗力起始點(diǎn)也較小;溫度越低,金屬原子的擴(kuò)散能力較弱,因變形引起的位錯塞積使得金屬材料的加工硬化程度急劇增大,形變儲能在金屬內(nèi)部殘留較多,相鄰第2道次的變形抗力起始點(diǎn)也就越高。在文獻(xiàn)[10]中也觀察到類似的現(xiàn)象。當(dāng)形變溫度降至850℃后,從圖1e中可以看出:在不同的間隔時間內(nèi),耐候鋼同時存在著靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,但是靜態(tài)回復(fù)作用更加顯著,導(dǎo)致相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺現(xiàn)象,該現(xiàn)象在其他較高的變形溫度下均未觀察到。隨著變形溫度的增大,對應(yīng)的變形抗力均有著不同程度的降低,靜態(tài)軟化程度顯著增大,該現(xiàn)象意味著軟化過程中靜態(tài)再結(jié)晶占據(jù)主導(dǎo)地位(見圖1a和圖1b)。

        圖1 耐候鋼雙道次真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

        2.2 靜態(tài)軟化率

        圖2為不同變形溫度下,耐候鋼的靜態(tài)軟化率與道次間隔時間的關(guān)系,靜態(tài)軟化率采用后插法計算[11-12]。從圖2中可以看出:影響靜態(tài)再結(jié)晶程度的關(guān)鍵因素在于變形溫度[13-14],當(dāng)變形溫度為850℃和900℃時,相鄰道次間隔時間為10 s,仍未發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶,變形溫度為950℃間隔1 s,也未發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶,此時的靜態(tài)軟化率均在0以下;而當(dāng)溫度升高至1 050℃和1 100℃時,相鄰道次間隔1 s,對應(yīng)的靜態(tài)軟化率高達(dá)0.2和0.5。但是隨著相鄰道次間隔時間的延長,在較低溫度下變形的耐候鋼靜態(tài)軟化率增幅顯著高于較高溫度變形條件。這主要是由于在較低溫度下變形時,金屬難以變形,相應(yīng)的形變儲能也就越低,再結(jié)晶驅(qū)動力也就越小,再結(jié)晶程度很低。但是隨著相鄰道次間隔時間的增加,形變儲能得到有效釋放,由于回復(fù)或再結(jié)晶的作用使得形變組織在一定程度得到軟化,導(dǎo)致第2道次變形的流變應(yīng)力也就越小,靜態(tài)軟化率隨之增大。

        圖2 靜態(tài)軟化率(Xs)與道次間隔時間的關(guān)系

        2.3 微觀組織演變

        圖3所示為耐候鋼在950℃進(jìn)行不同間隔時間雙道次變形后的顯微組織形貌。圖3a為道次間隔時間為1 s的顯微組織,從圖3a可以看出:由于間隔時間很短,未發(fā)生明顯的靜態(tài)再結(jié)晶過程,因此在材料內(nèi)部組織中仍存在著大量的被拉長的變形晶粒,但是在某些取向特殊的原奧氏體晶粒邊界已經(jīng)出現(xiàn)了一些晶粒尺寸約在2~4 μm的新的再結(jié)晶晶粒,該新晶粒的出現(xiàn)應(yīng)該是由亞動態(tài)再結(jié)晶所致。隨著相鄰道次間隔時間的進(jìn)一步增加至100 s,從圖3b中可以看出:在變形的原奧氏體晶界附近出現(xiàn)了大量晶粒直徑約在10 μm的新的再結(jié)晶晶粒,這部分晶粒明顯不同于圖3a中尺寸較小的新晶粒,是由靜態(tài)再結(jié)晶所致,與此同時,被拉長的變形晶粒尺寸和數(shù)量急劇減少;道次間隔時間為500 s時,等軸晶晶粒數(shù)目不斷增加(見圖3c),晶粒直徑約為20 μm,局部還存在著少量的變形奧氏體晶粒。當(dāng)?shù)来伍g隔時間延長到1 000 s時,再結(jié)晶晶粒均勻長大,此時晶粒直徑在30 μm左右(見圖3d)。

        圖4所示為變形溫度為1 050℃不同間隔時間時的耐候鋼的顯微組織圖片。道次間隔時間為1 s時,拉長的變形晶粒的數(shù)量相對于圖3a而言明顯減少,在變形的原奧氏體晶界上出現(xiàn)了大量的靜態(tài)再結(jié)晶晶核,尤其是在一些相鄰三叉晶界處更易形成新的再結(jié)晶晶核,與此同時,第1道次變形過程中形成的動態(tài)再結(jié)晶晶核發(fā)生亞動態(tài)再結(jié)晶,使得部分晶粒長大(見圖4a),晶粒直徑約8 μm。隨著相鄰道次間隔時間的增加,新的靜態(tài)再結(jié)晶晶核逐漸長大,形成大量細(xì)小的奧氏體晶粒,道次間隔時間越長,奧氏體晶粒長大越充分,等軸晶的數(shù)量也越來越多,道次間隔時間增加至1 000 s時,奧氏體晶界趨于平直,接近等軸狀,晶粒直徑約40 μm,此時奧氏體對應(yīng)的軟化率達(dá)100%(見圖4b)。該現(xiàn)象意味著變形溫度越高,在其他參數(shù)相同的條件下,相應(yīng)的靜態(tài)再結(jié)晶程度也就越大。

        圖3 不同間隔時間950℃變形后耐候鋼的顯微組織

        圖4 不同間隔時間1 050℃變形后耐候鋼的顯微組織

        不同變形溫度下道次間隔時間均為100 s時耐候鋼的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可看出:影響組織形態(tài)變化的重要因素就是變形溫度。當(dāng)變形溫度較低(僅為850℃)時,變形組織無明顯變化,仍可觀察到大量拉長的變形晶粒,此時對應(yīng)的組織形態(tài)主要以回復(fù)組織為主,在靜態(tài)回復(fù)的作用下,加工硬化產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)缺陷逐漸消失(見圖5a)。隨著溫度增加至900℃時,局部出現(xiàn)了少量等軸狀新晶粒,新晶粒尺寸約5 μm,同時還有大量的拉長的變形晶粒存在(見圖5b)。變形溫度增加至950℃后,在此過程中發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶,在拉長的變形奧氏體晶界上出現(xiàn)了大量細(xì)小的新的再結(jié)晶晶粒(見圖3b),晶粒尺寸約10 μm。當(dāng)溫度上升到1 050℃時,靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行程度更為充分,在此過程中形成了大量均勻細(xì)小的等軸晶(見圖5c),晶粒直徑約15 μm。當(dāng)變形溫度增加到1 100℃后,相應(yīng)的靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的更為充分完全,平均晶粒尺寸增長至20 μm左右(見圖5d)。

        圖5 不同變形溫度下間隔100 s后耐候鋼的顯微組織

        3 結(jié)論

        (1)變形溫度對耐候鋼單相奧氏體區(qū)靜態(tài)再結(jié)晶行為有顯著影響,在本試驗(yàn)條件下,隨著變形溫度的升高和相鄰道次間隔時間的增加,相應(yīng)的靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得更加充分完全。在1 050℃間隔1 000 s,對應(yīng)的靜態(tài)軟化率可達(dá)到100%。

        (2)在本試驗(yàn)條件下,隨著變形溫度的降低以及道次間隔時間的減小,奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸從50 μm降至10 μm左右。

        致謝:感謝燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院蔡大勇教授和張春玲教授在Gleeble試驗(yàn)中提供的大力支持和幫助!

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