石墨化碳鋼室溫壓縮變形過(guò)程的試驗(yàn)研究

張永軍 張鵬程 王九花 于文杰 韓靜濤

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

常用的硫系和鉛系易切削鋼冶煉時(shí),空氣污染嚴(yán)重，且鉛有毒，對(duì)人體有害。鉛易切削鋼的使用將逐漸受到限制，一些國(guó)家已經(jīng)限制回收含鉛的汽車構(gòu)件。因此，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)環(huán)境友好的低硫、無(wú)鉛易切削鋼是重要的發(fā)展方向。石墨化易切削鋼正是順應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)而提出的。石墨化易切削鋼，一方面，在切削加工前，通過(guò)滲碳體分解的石墨化過(guò)程形成以鐵素體和石墨為主要特征的組織，這種組織不僅有利于切削加工性能的提高，而且還能使鋼材軟化到與低碳鋼一樣的水平而具有較高的冷成形性能；另一方面，在切削加工后的淬火加熱過(guò)程中，游離態(tài)的石墨再次固溶到基體中，使鋼的強(qiáng)度回升。石墨化易切削鋼兼具較高的切削性和冷成形性能，適用于對(duì)切削性、冷成形性以及淬透性有較高要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，如螺栓、螺母、螺釘、鉚釘?shù)雀鞣N機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件(緊固件)。

常采用冷鐓工藝制造緊固件，不但效率高、質(zhì)量好，而且用料省、成本低。目前，文獻(xiàn)更多關(guān)注的是石墨化易切削鋼的石墨化過(guò)程、切削性能及其冷成形性能[1- 7]，但對(duì)其冷頂鍛過(guò)程中變形行為等方面的研究報(bào)道較少。由于頂鍛變形可視為壓縮變形，且壓縮變形又是研究材料可加工性能的一個(gè)方便而實(shí)用的試驗(yàn)方法[8]，因此，本文利用Gleeble- 3500模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)以鐵素體+石墨為組織特征的石墨化碳鋼進(jìn)行室溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形試驗(yàn)，研究了應(yīng)變速率(0.01、0.1、1 s-1)對(duì)其變形行為及組織演變特征的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)以45鋼為原料，采用ZG- 50型真空感應(yīng)電爐熔煉，爐內(nèi)真空度為1.33 Pa，澆注成鋼錠，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.46C，1.3Si，0.46Mn，0.009S，0.009P，0.006B。鋼錠經(jīng)熱鍛成型后再進(jìn)行680 ℃×10 h的石墨化處理，最后再加工成φ8 mm×12 mm的圓柱體試樣。

在Gleeble- 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1 s-1。變形過(guò)程中記錄試樣的載荷- 位移曲線。試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣沿軸向剖開(kāi)，經(jīng)打磨、拋光和體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液侵蝕后，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，并利用Image- pro圖像分析軟件對(duì)試樣中的石墨粒子和鐵素體的尺寸進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

壓縮后的試樣表面及內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)宏觀及微觀裂紋，說(shuō)明試驗(yàn)鋼的冷鐓性能良好。其組織主要為鐵素體基體中彌散分布著石墨粒子，石墨粒子呈團(tuán)絮狀，如圖1所示。

圖1 壓縮變形后試樣的顯微組織Fig.1 Microstructure of the sample after compressive deformation

2.2 載荷- 位移曲線

試驗(yàn)鋼以0.01、0.1和1 s-1應(yīng)變速率壓縮變形時(shí)的載荷- 位移曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，試驗(yàn)鋼的壓縮載荷隨著位移的增大而增大，即在小位移時(shí)穩(wěn)定增加，在大位移時(shí)急劇增加，為了定量描述這一特征，對(duì)載荷- 位移曲線進(jìn)行了擬合，得到了3個(gè)應(yīng)變速率下的載荷隨位移變化的擬合公式，即：

y=4 138.968 83x+9 024.035 52

(1)

當(dāng)位移x≥6.5 mm時(shí)，其載荷- 位移擬合公式為：

y=9 183.124 41x-24 876.511 47

(2)

圖2 試驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率下壓縮變形時(shí)的載荷- 位移曲線Fig.2 Load- displacement curves of the tested steels during compression deformation at different strain rates

y=4 138.426 64x+9 747.887 11

(3)

當(dāng)位移x≥6.5 mm時(shí)，其載荷- 位移擬合公式為：

y=9 542.779 42x-26 451.996 6

(4)

y=3 745.062 56x+12 290.789 46

(5)

當(dāng)位移x≥6.5 mm時(shí)，其載荷- 位移擬合公式為：

y=9 537.623 55x-27 009.000 76

(6)

從圖2可見(jiàn)，式(1)～式(6)擬合的載荷- 位移曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好。在以不同應(yīng)變速率壓縮變形過(guò)程中，其載荷- 位移曲線均在6.5 mm位移(相應(yīng)壓下量為54.2%)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，即在位移小于6.5 mm的壓縮過(guò)程中，載荷隨位移的增大而穩(wěn)定增大。而在位移大于6.5 mm的壓縮過(guò)程中，載荷隨位移的增大急劇增大。另外，從圖2還可以看出，應(yīng)變速率對(duì)載荷- 位移曲線的影響不大。

2.3 鼓形特征

由于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的壓頭與試樣之間的接觸面存在一定的摩擦力，壓縮變形不均勻，圓柱體試樣變形后呈單個(gè)鼓形。鼓形是壓縮不均勻變形的主要特征之一。為定量描述壓縮試樣的鼓形特征，本文引入文獻(xiàn)[9]中鼓度θ的定義，即：

(7)

式中：dmax和dmin分別為壓縮變形后試樣的最大、最小直徑。

鼓度θ隨變形量的變化如圖3(a)所示。從圖3(a)可見(jiàn)，3個(gè)應(yīng)變速率下壓縮試樣的鼓度θ均隨著壓下量的增加先增加后減小，且數(shù)值大小也接近，均在壓下量為54.2%時(shí)出現(xiàn)最大值。

2.4 變形組織特征

試驗(yàn)鋼在以不同應(yīng)變速率室溫壓縮變形時(shí)，其中心部位組織隨著壓下量的增加而逐漸被壓扁，即垂直于壓縮方向逐漸呈纖維狀，如圖4所示。圖4為當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，不同壓下量壓縮變形后試樣中心部位的顯微組織。在壓下量為10%時(shí)，石墨和鐵素體明顯未被壓扁(見(jiàn)圖4(a))，隨著壓下量的增加，石墨和鐵素體逐漸纖維化，如圖4(b～d)所示。

圖3 以不同應(yīng)變速率壓縮的試樣的鼓度和端面徑向伸長(zhǎng)率與壓下量之間的關(guān)系Fig.3 Crowning and radial elongation of end face of the samples compressed at different strain rates as a function of deformation degree

圖4 應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)不同壓下量壓縮變形后試樣心部的顯微組織Fig.4 Microstructures of core of the specimens compressed to different reductions at strain rate of 0.1 s-1

為了定量描述壓縮變形過(guò)程中石墨粒子和鐵素體基體的微觀變形特征，采用式(8)和式(9)對(duì)石墨粒子與鐵素體基體的微觀變形量進(jìn)行計(jì)算：

(8)

(9)

式中：εGj、εFj分別為石墨粒子和鐵素體基體的微觀變形量；hG0和hF0分別為變形前石墨粒子和鐵素體基體的初始平均高度；hGj和hFj分別為變形后石墨粒子和鐵素體基體的平均高度；j為壓下量，分別為10%、30%、54.2%、70%、80%。對(duì)以0.01、0.1、1 s-1應(yīng)變速率、不同壓下量壓縮變形試樣的3個(gè)不均勻變形區(qū)(難變形區(qū)、自由變形區(qū)、大變形區(qū))的石墨粒子和鐵素體基體的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)式(7)和式(8)計(jì)算石墨粒子與鐵素體的微觀變形量，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，不論是大變形區(qū)、自由變形區(qū)還是難變形區(qū)中，當(dāng)試樣總壓縮變形量一定時(shí)，石墨粒子的變形量總高于鐵素體基體的變形量。研究認(rèn)為，這是石墨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的，即石墨晶體結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣，層與層之間比較容易滑動(dòng)，且硬度極低，從而石墨粒子比鐵素體更易變形。由圖5還可見(jiàn)，應(yīng)變速率對(duì)石墨和鐵素體基體的微觀變形量影響較小，這可能與試驗(yàn)的準(zhǔn)靜態(tài)條件有關(guān)，即較低的應(yīng)變速率對(duì)試驗(yàn)鋼壓縮變形過(guò)程中的微觀組織影響不大。

3 結(jié)論

圖5 石墨和鐵素體基體的微觀變形曲線Fig.5 Micro- deformation curves of graphite and ferrite matrix

(1)試驗(yàn)范圍內(nèi)的應(yīng)變速率(0.01、0.1、1 s-1)對(duì)石墨化碳素鋼的壓縮變形行為及組織演變特征的影響不大，這是準(zhǔn)靜態(tài)變形條件下，低應(yīng)變速率對(duì)材料的變形行為影響不大所致。

(2)應(yīng)變速率為0.01、0.1、1 s-1時(shí)試驗(yàn)鋼的載荷- 位移曲線與擬合曲線吻合較好，在位移小于6.5 mm的壓縮過(guò)程中，載荷隨位移的增大而穩(wěn)定增大，在位移大于6.5 mm的壓縮過(guò)程中，載荷隨位移的增大急劇增大。

(3)應(yīng)變速率為0.01、0.1、1 s-1時(shí)壓縮試樣的鼓度θ均隨著壓下量的增加先增加后減小，并在壓下量為54.2%(位移6.5 mm)時(shí)出現(xiàn)最大值，這是由于在位移大于6.5 mm的壓縮變形階段，壓縮試樣的端面徑向伸長(zhǎng)率急劇增加所致。

(4)應(yīng)變速率為0.01、0.1、1 s-1時(shí)壓縮試樣的大變形區(qū)、自由變形區(qū)和難變形區(qū)中，石墨粒子的變形量總高于鐵素體基體的變形量，這與石墨的簡(jiǎn)單六方結(jié)構(gòu)中層與層之間比較容易滑動(dòng)，且硬度極低有關(guān)。