M組織碳鋼的碳含量對溫變形行為的影響

王書強， 甘美露， 馮秀梅， 張發倫， 謝建平， 顧寒菲

(江陰市產品質量監督檢驗所， 江蘇 江陰 214434)

引 言

為了適應和滿足21世紀社會發展的需求，世界各國非常重視鋼鐵材料的研究開發。鋼鐵材料流變應力的大小是保證實現加工時發生充分塑性變形的關鍵，對其塑性加工性能及有限元模擬的預報精度有很大的影響。多年來對材料流變應力的研究報道主要集中在冷、熱加工領域，而對溫加工的相關研究報道較少[1-2]。與熱加工比，溫加工的零件不但尺寸精度高，基本沒有氧化和脫碳等問題，而且能夠較強烈地細化微觀組織，并能較大幅度地提高力學性能[3]。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗材料為Q235鋼、45和T12鋼棒材，其化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學成分/%

將所選材料加工成尺寸為Φ8±0.02 mm×12±0.02 mm的圓柱試樣。對試樣進行淬火處理：Q235鋼經900±10 ℃保溫20 min，鹽水淬火的組織主要為板條M組織；45鋼經840±10 ℃保溫20 min，鹽水淬火的組織主要為板條M+少量片狀M組織；T12鋼經880±10 ℃保溫20 min，鹽水淬火的組織主要為粗片狀M+較多的殘余奧氏體。

1.2 試驗方法

將三種鋼具有淬火組織的試樣在Gleeble 3500熱力模擬試驗機上進行單軸溫壓縮實驗，其實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 溫壓縮實驗裝置圖

Gleeble試驗機自動采集真應力-真應變曲線。試樣升溫速度為10 ℃ / s，到溫后保溫5 min；壓縮溫度為550，600，650和700 ℃；應變速率為1，0.1，0.01，0.001 s-1。為減小鼓形[4]，在試樣與壓頭之間加上一層鉭片，并在端面涂上MoS2，保持潤滑，試樣的變形量約為50%。經過計算膨脹系數B[5]大于0.91，不用修正流變應力。整個實驗過程在氬氣保護下進行，變形結束試樣快冷處理。

對溫壓縮后快冷的試樣，利用透射電子顯微鏡(TEM)和光學顯微鏡(OM)對模擬溫變形組織進行微觀分析。

2 試驗結果與分析

2.1 碳含量對流變曲線的影響

圖2 Q235，45鋼M和T12鋼粗片狀M組織在不同T和下溫壓縮的流變曲線

2.2 壓縮溫度和應變速率對流變應力的影響

從圖2中Q235鋼、45和T12鋼M組織的流變曲線可求得不同溫度和應變速率條件下的峰值應力σp和穩態應力σst。如圖3所示為Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織不同應變速率和壓縮溫度與σp，σst的關系，由圖3可以看出，3種M組織的峰值應力、穩態應力都隨著溫度的升高或應變速率的降低而減小。

圖3 壓縮溫度與3種鋼M組織σ p ，σ st 的關系

如圖4所示為3種鋼M組織不同溫度壓縮的應變速率與σp，σst的關系。從圖4中可以看出，應變速率從0.001 s-1提高到1.0 s-1，Q235鋼M組織的峰值應力和穩態應力增加了將近1倍；45鋼M組織的峰值應力和穩態應力增加了約90%；T12鋼粗片狀M組織的峰值應力和穩態應力增加了約1.5倍；溫度從600 ℃提高到700 ℃，Q235鋼M組織的峰值應力和穩態應力減小約45%；45鋼M組織的峰值應力和穩態應力減小約50%；T12鋼粗片狀M組織的峰值應力和穩態應力減小約50%。由此可知，溫度對流變應力的影響顯著大于應變速率對流變應力的影響。

圖4 應變速率與三種鋼M組織σ p ，σ st 的關系

2.3 碳含量對微觀組織的影響

如圖5所示為Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織在溫度650 ℃，應變速率為0.01 s-1條件下壓縮后的顯微組織。可以看出，Q235鋼由于碳含量較少，只有約0.17%，溫壓縮過程中析出的碳化物數量少并且分布不均勻，對位錯的阻礙作用很弱，導致Q235鋼M組織的變形抗力低于45鋼和T12鋼。T12鋼的碳含量遠高于45鋼，雖然在回火及溫壓縮過程中固溶于M組織中的碳將較早析出并聚集長大，但此時固溶于M中的碳濃度仍然遠高于45鋼。一方面，碳原子固溶于α-Fe中形成間隙固溶體，造成點陣畸變，由于間隙固溶濃度不同及其與基體原子間的錯配度導致間隙原子與位錯發生交互作用，阻礙位錯運動。點陣中的間隙固溶所造成的強化作用與固溶濃度的平方根成正比；另一方面， 碳原子的溶入引起了點陣畸變，形成了應力場。溶質原子的應力場將與位錯應力場發生交互作用。為降低交互作用能，溶質原子將聚集到位錯周圍，形成柯氏氣團。當具有柯氏氣團的位錯在外力作用下，欲離開溶質原子時，勢必升高應變能，這相當于溶質原子對位錯有釘扎作用，阻礙位錯移動。溶質濃度越高，越有利于形成柯氏氣團，阻礙作用越強[5]，導致T12鋼粗片狀M組織的流變應力高于45鋼M組織。

圖5 Q235鋼M 組織、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織，為0.01 s-1，650 ℃壓縮后的微觀組織

3 結束語

(1)在相同的變形溫度和應變速率下，Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織溫變形的流變應力隨著碳含量的增加而增大；其中T12鋼流變應力最高，45鋼次之，Q235鋼最低。這是由于Q235鋼碳含量較少，溫壓縮過程中析出的碳化物數量少并且分布不均勻，對位錯的阻礙作用很弱，T12鋼的碳含量遠高于45鋼，在回火及溫壓縮過程中固溶于M組織中的碳將較早析出并聚集長大，但此時固溶于M中的碳濃度仍然遠高于45鋼。碳原子固溶于α-Fe中形成間隙固溶體，造成點陣畸變，阻礙位錯運動，同時還會形成應力場；溶質原子的應力場將與位錯應力場發生交互作用，形成柯氏氣團，阻礙位錯移動。

(2)Q235鋼、45鋼M組織和T12鋼粗片狀M組織的峰值應力、穩態應力都隨著溫度的升高或應變速率的降低而減小；其中，溫度對流變應力的影響顯著大于應變速率對流變應力的影響。