閆永明，劉雅政，周樂育，徐 盛

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

隨著現(xiàn)代高頻率、高沖擊鑿巖設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)釬具產(chǎn)品的質(zhì)量提出了越來越高的要求.在鉆鑿過程中，釬頭作為主要的受力部件，直接接觸并破碎巖體，承受著巨大的沖擊載荷和磨料的劇烈磨損.因此，釬頭在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)還應(yīng)具有優(yōu)良的韌性［1］.23CrNi3Mo 鋼作為一種低碳 Cr、Ni、Mo合金鋼，在國(guó)內(nèi)外釬鋼釬具行業(yè)廣泛應(yīng)用于釬頭、釬尾和釬桿的生產(chǎn)過程.隨著基礎(chǔ)建設(shè)及礦山開采的日益發(fā)展，對(duì)于高壽命釬具產(chǎn)品的需求量也持續(xù)增加［2］.

釬具成品的原奧氏體晶粒大小是由軋制工藝和熱處理工藝聯(lián)合控制，晶粒細(xì)化不僅有利于提高產(chǎn)品的強(qiáng)度，更有利于獲得細(xì)小且均勻分布的穩(wěn)定奧氏體，大幅度地提高釬具產(chǎn)品的強(qiáng)韌性，從而增加釬具產(chǎn)品的使用壽命［3－5］.在軋制過程中，再結(jié)晶可以降低材料的變形抗力、細(xì)化晶粒，提高材料綜合力學(xué)性能［6－7］.因此，掌握 23CrNi3Mo 鋼的高溫奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶規(guī)律及對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對(duì)提高釬具產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要.本文利用Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)23CrNi3Mo鋼產(chǎn)品的軋制工藝參數(shù)范圍內(nèi)熱變形過程中的顯微組織演變規(guī)律進(jìn)行研究，建立了熱變形過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型和晶粒尺寸模型，充分利用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程細(xì)化晶粒，能夠優(yōu)化釬鋼棒材熱軋工藝，對(duì)提高最終產(chǎn)品的性能尤為重要.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)鋼取自西寧特鋼生產(chǎn)的23CrNi3Mo鑄坯，其化學(xué)成分如表1所示.

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

從鑄坯中心位置截取Φ8 mm×15 mm的圓柱形試樣，采用Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單道次熱壓縮試驗(yàn).將試樣以10℃/s的速度加熱到1 250℃保溫3 min，然后冷卻到變形溫度(根據(jù)23CrNi3Mo鋼生產(chǎn)軋制溫度在925～1 035℃，選取900、950、1 000、1 050 ℃的4 個(gè)變形溫度)，進(jìn)行變形量70% 的壓縮變形，變形速率取0.1、1、10 s－1，實(shí)驗(yàn)過程中記錄真應(yīng)力應(yīng)變曲線，并在變形后迅速淬火保留奧氏體組織，然后截取試樣的縱剖面經(jīng)機(jī)械拋光后，采用過飽和苦味酸水溶液+緩蝕劑(海鷗洗發(fā)液)對(duì)試樣進(jìn)行熱侵蝕(侵蝕溫度70℃)，以顯示淬火后原奧氏體晶界，并在光學(xué)顯微鏡下對(duì)顯微組織進(jìn)行了觀察.使用Image Tool軟件對(duì)不同工藝下的奧氏體晶粒尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).

2 結(jié)果及分析

2.1 流變應(yīng)力曲線

23CrNi3Mo鋼在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力(σ)－真應(yīng)變(ε)曲線如圖1所示.相同的變形速率()下，隨溫度的升高，峰值應(yīng)力逐漸降低;且峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變減小.當(dāng)溫度不變時(shí)，應(yīng)變速率較小時(shí)曲線峰值較低，且峰值應(yīng)變較小，易于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;隨著應(yīng)變速率增加，峰值應(yīng)力增大，峰值應(yīng)變?cè)黾?熱變形過程中，材料的加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化兩種機(jī)制同時(shí)起作用.變形開始階段，加工硬化起主導(dǎo)作用;隨著變形的進(jìn)行，當(dāng)材料開始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)，ε－σ曲線呈下降狀態(tài)，此時(shí)動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制起主要作用;隨著再結(jié)晶的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化達(dá)到平衡時(shí)，ε應(yīng)力為某一穩(wěn)定值，材料進(jìn)入完全再結(jié)晶狀態(tài).

2.2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶本構(gòu)方程

研究表明［8］，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)材料峰值應(yīng)力的影響可用式(1)和式(2)［9－10］表示，

圖1 23CrNi3Mo鋼流變應(yīng)力曲線

Zener－Hollomon(Z)參數(shù)綜合了材料的熱變形條件，Z 參數(shù)可用式(3)［8］表示 ，

對(duì)式(1)、式(2)和式(3)進(jìn)行恒等變形得到

熱變形過程中，峰值應(yīng)力與Z參數(shù)之間呈線性關(guān)系(見圖3)，結(jié)合圖2、式(6)，23CrNi3Mo鋼的本構(gòu)方程可表示為

圖2 峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系圖

圖3 峰值應(yīng)力與lnZ的關(guān)系圖

2.3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型

臨界應(yīng)變量εc是判斷材料是否發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的關(guān)鍵，只有變形量大于εc時(shí)，奧氏體才會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.εc的大小表征了奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的難易程度，因此，準(zhǔn)確地確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開始時(shí)的臨界應(yīng)變量εc，對(duì)于研究熱變形工藝參數(shù)至關(guān)重要.通常取 εc=(0.60 ～0.85)εp［11］，本文采用 Ryan ND的θ－σ模型［12］(θ=dσ/dε)準(zhǔn)確地確定了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程中εc和εp等關(guān)鍵物理量.如圖4所示，為實(shí)驗(yàn)鋼應(yīng)變速率0.1 s－1時(shí)不同溫度的θ－σ曲線.圖4中可以將θ－σ曲線分為4部分:第I部分直線段是線性硬化階段;第II部分曲線斜率逐漸降低，動(dòng)態(tài)回復(fù)速率降低;第III部分當(dāng)流變應(yīng)力或應(yīng)變量達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界值時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開始，曲線斜率急劇下降;第IV段為完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段，流變應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)態(tài)應(yīng)力階段.其中，第II段的結(jié)束點(diǎn)σc對(duì)應(yīng)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變?chǔ)與，曲線與σ軸的交點(diǎn)σp對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程中的峰值應(yīng)變?chǔ)舙.

圖4 加工硬化率與應(yīng)力關(guān)系圖(=0.1 s-1)

對(duì)不同變形條件下的εc和εp進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所示.通過計(jì)算，εc和εp的比值在0.61 ～0.65，取其平均值，23CrNi3Mo鋼熱變形過程中εc=0.63εp，此結(jié)果比通常采用的經(jīng)驗(yàn)公式 εc=0.83εp更準(zhǔn)確.

在熱變形過程中，峰值應(yīng)變?chǔ)舙和臨界應(yīng)變量εc取決于Z和ε.當(dāng)Z一定時(shí)，隨著變形量的增大，材料組織發(fā)生由加工硬化到動(dòng)態(tài)回復(fù)到部分再結(jié)晶到完全再結(jié)晶的變化.對(duì)于一定的金屬材料，峰值應(yīng)變?chǔ)舙與應(yīng)變速率和變形溫度有如下關(guān)系［13－14］:

圖5給出了lnεp－lnZ關(guān)系圖，線性擬合分析得出 X=0.116 5，m=0.056.因此，

根據(jù)式(6)、式(9)和式(10)，利用matlab軟件建立了23CrNi3Mo鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型圖，見圖6.圖6中εc曲面表示開始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形，εs曲面表示發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形.當(dāng)變形條件位于εc曲面以下時(shí)，材料不發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;當(dāng)變形條件位于εs曲面以上時(shí)，材料發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;而在εc曲面和εs曲面之間時(shí)，材料發(fā)生部分再結(jié)晶，出現(xiàn)混晶現(xiàn)象.

表2 不同變形條件下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變(εc)、峰值應(yīng)變(εp)及其比值

圖5 峰值應(yīng)變和lnZ關(guān)系圖

圖6 23CrNi3Mo鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型圖

2.4 高溫變形過程中組織演變規(guī)律

變形溫度、變形量和應(yīng)變速率等工藝參數(shù)對(duì)熱變形奧氏體的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為都有明顯影響.圖7所示為23CrNi3Mo鋼不同工藝的高溫形變組織.變形條件900℃，10 s－1時(shí)材料發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，如圖7(a)所示，出現(xiàn)明顯的混晶現(xiàn)象，混晶的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重降低鋼材的質(zhì)量;當(dāng)應(yīng)變速率10 s－1，變形溫度≥950℃時(shí)，均發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且隨著變形溫度的升高平均晶粒尺寸變大;當(dāng)變形溫度為1 050℃時(shí)，隨著應(yīng)變速率的降低，平均晶粒尺寸增加.

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是一個(gè)溫度和速率控制的過程，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸有很大影響.當(dāng)溫度升高時(shí)，位錯(cuò)的滑移、攀移和交滑移比低溫時(shí)更容易進(jìn)行;同時(shí)，晶界遷移能力增強(qiáng)，這些都有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核與晶粒長(zhǎng)大［15－16］.利用Image tool軟件，對(duì)完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶試樣的晶粒尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，計(jì)算了其平均晶粒尺寸，如表3所示.Z參數(shù)綜合反映了熱變形過程中變形溫度和應(yīng)變速率的影響.根據(jù)表3和式(4)，如圖8(a)所示，不同應(yīng)變速率下，再結(jié)晶晶粒尺寸與lnZ呈線性關(guān)系.利用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算分析，得出再結(jié)晶晶粒尺寸與變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系為

根據(jù)式(11)，利用 Matlab軟件得到了23CrNi3Mo鋼關(guān)于變形溫度、應(yīng)變速率和再結(jié)晶晶粒尺寸的三維模型圖，見圖8(b).結(jié)合材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型圖(圖6)，實(shí)際軋制過程中根據(jù)各道次的變形溫度、變形速率、道次變形量可以有效地控制材料的再結(jié)晶狀態(tài)及最終的晶粒尺寸，以獲得產(chǎn)品優(yōu)異的機(jī)械性能.

3 結(jié)論

1)采用回歸方法，確定了23CrNi3Mo鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能(293.23 kJ/mol)和綜合表示材料熱變形條件的Zener－Hollomon參數(shù)為Z=exp(293 231.26/RT).

3)確定了熱變形過程中臨界應(yīng)變量 εc=0.073 4Z0.056，臨界應(yīng)變與峰值應(yīng)變的平均比值εc/εp=0.63.

4)熱變形過程中晶粒尺寸d=Q(T－1 120)/T－2.65ln，建立了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型圖和晶粒尺寸模型圖.

圖7 熱變形中顯微組織演變規(guī)律

表3 不同變形條件下再結(jié)晶晶粒尺寸 (μm)

圖8 晶粒尺寸與變形條件關(guān)系

［1］ 洪達(dá)靈，顧太和，徐曙光，等.釬鋼與釬具［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2000.

［2］ 程巨強(qiáng).鑿巖釬具材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2007(3):10－13.CHENG Juqiang.The research and application of rock drilling materials［J］.Zhaoyan Jixie Qidong Gongju，2007(3):10－13.

［3］ 王進(jìn)，褚忠，李君飛，等.F35MnVN非調(diào)質(zhì)鋼高溫本構(gòu)模型對(duì)比研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2012，20(5):143－148.WANG Jin，CHU Zhong，LI Junfei，et al.Comparative study on two types of constitutive model in F35MnVN micro alloyed forging steel［J］.Materials Science and Technology，2012，20(5):143－148.

［4］ 袁武華，周恒，傅強(qiáng).微合金中碳鋼的熱壓縮變形流變行為研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(1):21－25.YUAN Wuhua，ZHOU Heng，F(xiàn)U Qiang.Flow stress behavior of micro alloyed medium carbon steel under hot compression deformation［J］.Materials Science and Technology，2011，19(1):21－25.

［5］ 王秉新，周存龍，徐旭東，等.Mn－ Cr齒輪鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為及組織演變［J］.材料科學(xué)與工藝，2006，14(4):377－380.WANG Bingxin，ZHOU Cunlong，XU Xudong，et al.Dynamic recrystallization behaviorand microstructure evolution of a Mn －Cr gear steel［J］.Materials Science and Technology，2006，14(4):377－380.

［6］ 曾偉明，韓坤，張梅，等.超高強(qiáng)度Ti微合金復(fù)相鋼再結(jié)晶行為研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(3):132－137.ZENG Weiming，HAN Kun，ZHANG Mei，et al.Recrystallization behavior of ultra-high strength low carbon micro-alloyed Complex Phase steel ［J］.Materials Science and Technology，2011，19(3):132－137.

［7］ 吳晉彬，劉國(guó)權(quán)，王承陽，等.釩氮微合金鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及影響因素［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(1):85－90.WU Jinbin，LIU Guoquan，WANG Chengyang，et al.Dynamic recrystallization kinetics and related influence factors of vanadium-nitride microalloyed steel during hot compressive deformation［J］.Materials Science and Technology，2011，19(1):85－90.

［8］ MCQUEEN H J，YUE S，Ryan N D，et al.Hot working characteristics of steels in austenitic state［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，53(1 － 2):293－310.

［9］ ZENER C，HOLLOMON J H.Effect of strain-rate upon the plastic flow of steel［J］.Journal of Applied Physics，1944，15(1):22－32.

［10］ GEORGE K.Deformation，Processing and Structure［M］.ST.LOUIS:American Society for Metals，1984.

［11］ McQUEEN H J，RYAN N D.Constitutive analysis in hot working［J］.Materials Science and Engineering A，2002，322(1－2)，43－63.

［12］ RYAN N D，McQUEEN H J.Dynamicsoftening mechanisms in 304 austenitic stainless steel［J］.Canadian Metallurgical Quarterly，1990，29(2):147－162.

［13］ MECKING H，KOCKS U F.Kinetics of flow and strain-hardening［J］.Acta Metallurgica，1981，29(11):1865－1875.

［14］ SRINIVASAN N，PRASAD Y V R K.Hot working characteristics of nimonic 75，80A and 90 super alloys:a comparison using processing maps［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995(51):171－192.

［15］ 余永寧.金屬學(xué)原理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

［16］ 王有銘，李曼云.鋼材的控制軋制和控制冷卻［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.