趙奕 朱晶 張亞龍 喬軍

遼寧科技大學(xué) 遼寧 鞍山 114051

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，鋼材的技術(shù)投入與研發(fā)、生產(chǎn)力度均不斷加大。其中，某些特殊場所需要用到特厚鋼板進(jìn)行作業(yè)，所以必須具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蝕等[1-4]。由于熱變形過程的工藝參數(shù)控制不當(dāng)而形成的異常晶粒組織，大多無法通過后續(xù)的固溶熱處理進(jìn)行調(diào)整以滿足工作要求。因此，為獲得理想的終態(tài)晶粒組織以滿足構(gòu)件的不同使用需求，需對熱變形工藝進(jìn)行精確控制[5]。高錳鋼因其密度低、具有良好的抗沖擊性能、抗氧化性及耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，可以很好的滿足特厚板的要求。本研究通過對高錳鋼進(jìn)行熱變形實(shí)驗(yàn)，研究其在一定壓縮速率和一定溫度下，組織與性能的變化規(guī)律，探討高錳鋼特厚板坯生產(chǎn)過程中，熱壓縮形變對組織與性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供必要的參考。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用實(shí)驗(yàn)材料為含Mn 量為25%的高錳鋼，其化學(xué)成分如下表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分表

1.2 熱模擬試驗(yàn)方法及設(shè)備

利用Gleeble-2000 熱模擬試驗(yàn)機(jī)將高錳鋼在不同溫度(900℃、1000℃、1100℃、1200℃)和不同的壓縮速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s) 下進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，并記錄典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。采用Axio Vert.A1 蔡司顯微鏡進(jìn)行金相試樣的顯微組織觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 高錳鋼熱變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對高錳鋼打磨拋光后的試樣進(jìn)行熱模擬壓縮試驗(yàn)，根據(jù)熱壓縮試驗(yàn)結(jié)果,將同一溫度不同應(yīng)變速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s) 和不同溫度(900℃、1000℃、1100℃、1200℃)同一速率下的載荷行程曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力應(yīng)變曲線[5]。圖1 顯示了高錳鋼在同一溫度和不同的壓縮速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s)下的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖1 不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

在900℃時(shí)，在相同的應(yīng)變情況下，0.01mm/s 的壓縮速度時(shí)，所需的應(yīng)力最小，接著依次是壓縮速度為0.1mm/s、1mm/s，在10mm/s 時(shí)所需的應(yīng)力最大。在1000℃、1100℃、1200℃時(shí)，在相同的應(yīng)變情況下，仍然是0.01mm/s 時(shí)所需的應(yīng)力最小，然后應(yīng)力由小到大依次是壓縮速度0.1mm/s、1mm/s、10mm/s。

在相同的壓縮速度0.01mm/s 時(shí)，在相同的應(yīng)變下，溫度為1200℃所需的應(yīng)力最小，接著所需應(yīng)力由小到大依次是溫度為1100℃、1000℃以及900℃。在壓縮速度為0.1mm/s、1mm/s、10mm/s 時(shí)，在相同的應(yīng)變情況下，仍然是1200℃所需的應(yīng)力最小，后面應(yīng)力由小到大依次是溫度為1100℃、1000℃以及900℃。由圖2 可以看出，隨著形變溫度的提高，變形抗力在也在提高[6]。應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，當(dāng)應(yīng)變上升到一定程度的時(shí),流動應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而且在不同的溫度下流動應(yīng)力曲線的演化遵循相同的趨勢,即在初始階段增加，然后緩慢減小或平穩(wěn)，初始應(yīng)力的增加是由位錯纏結(jié)以及變形梯度的應(yīng)變能量增加引起的。

圖2 不同壓縮速度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 高錳鋼熱變形后的顯微結(jié)構(gòu)

對進(jìn)行熱模擬壓縮試驗(yàn)結(jié)束后的試樣在Axio Vert.A1 蔡司顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織觀察，可以得到在不同溫度以及壓縮速率下的金相組織。如下圖3、圖4、圖5、圖6 所示。

圖3 試樣在900℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時(shí)的金相組織

圖4 試樣在1000℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時(shí)的金相組織

圖5 試樣在1100℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時(shí)的金相組織

圖6 試樣在1200℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時(shí)的金相組織

如圖3 和 圖4 所示，在相同溫度的情況下，壓縮速率越大，試樣的晶粒會逐漸的變小，但是在相同溫度下晶粒大小的變化不是很大，晶粒大小通常在300μm左右，結(jié)合圖3 和圖4 整體情況來看，在900℃和1000℃下晶粒都比較大，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖1，a 和b）來觀察，此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線比較平緩，晶粒較大，在相同應(yīng)變下所需應(yīng)力比較小。

如圖5 和圖6 所示，在相同的溫度下，壓縮速率越大，試樣的晶粒會逐漸變小，但在相同溫度下晶粒大小的變化仍然不是很大。在1100℃和1200℃下的晶粒要明顯比900℃和1000℃下的晶粒要小，晶粒大小在40μm左右，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖1，c 和d）來看，此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線較陡，晶粒較小，在相同應(yīng)變下所需應(yīng)力較大，但在高溫高壓縮速率下，由于晶粒較小且比較均勻，所以此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線更加陡峭。在相同的壓縮速率下，溫度越高，試樣的晶粒也會逐漸變小，但是這時(shí)候的晶粒大小變化較溫度而言變化較大，晶粒大小會從300μm 降到40μm 左右，如圖4（c）在1000℃下1mm/s 的壓縮速率和圖6（c）在1200℃下1mm/s 的壓縮速率時(shí)，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線圖2（c）,壓縮曲線由平緩變得陡峭，這就是晶粒變化較大造成的。實(shí)驗(yàn)表明，晶粒尺寸會隨著變形溫度的升高以及變形速率的增大而減小，試樣會在高溫低壓縮速率的變形條件下傾向于發(fā)生動態(tài)回復(fù)，晶粒易于粗化:在低溫和高應(yīng)變速率的變形條件下很容易獲得精細(xì)的動態(tài)再結(jié)晶晶粒，但動態(tài)再結(jié)晶傾向于不完全,導(dǎo)致出現(xiàn)混晶組織[7]。圖5(b)在1100℃下0.1mm/s 的壓縮速率和圖6（d）在1200℃下10mm/s 的壓縮速率所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度越高，壓縮速率越大，因?yàn)榘l(fā)生了再結(jié)晶，晶粒就會越來越均勻并且細(xì)小。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，在相同的應(yīng)變下，高錳鋼溫度為900℃所需的應(yīng)力最大。隨著形變溫度的下降，變形抗力也在提高。當(dāng)溫度在1200℃、壓縮速率在10mm/s 時(shí)，壓縮后的厚鑄坯晶粒越均勻并且細(xì)小。結(jié)合高錳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和微觀結(jié)構(gòu)來看，高錳鋼的晶粒越粗大，相同應(yīng)變下所需的應(yīng)力越小，即壓縮時(shí)變形越容易，當(dāng)高錳鋼的晶粒越細(xì)小時(shí)，相同應(yīng)變下所需的應(yīng)力越大，也就是壓縮時(shí)變形越困難。