納米Cu析出相及晶界對微合金化鋼力學性能的影響

李智,胡麗娟,謝耀平,趙世金

(1.上海大學材料研究所,上海 200072;2.上海大學微結構重點實驗室,上海 200072)

納米Cu析出相及晶界對微合金化鋼力學性能的影響

李智1,2,胡麗娟1,2,謝耀平1,2,趙世金1,2

(1.上海大學材料研究所,上海 200072;2.上海大學微結構重點實驗室,上海 200072)

基于彈塑性有限元理論,構建包含納米Cu析出相及晶界的微合金化鋼拉伸理論模型.計算納米Cu析出相及晶界對微合金化鋼力學性能的影響.研究在不同晶粒大小、不同納米Cu析出相尺寸、不同應變條件下微合金化鋼的單向拉伸性能,分析包含Cu析出相及晶界的晶粒變形趨勢,探求納米Cu析出相對基體材料的強化機制.研究結果表明：納米Cu析出相心部塑性最大,晶界處的塑性低于晶內,且晶內發生塑性應變速率高于晶界;析出相與晶界都能起到增強材料塑性的作用,包含納米Cu析出相及晶界的多晶模型在晶粒變形過程中,晶界參與協調變形作用.

微合金化鋼;Cu析出相;微觀組織;晶界;力學性能

微合金化鋼(microalloyed steel)是在普通低合金的基礎上加入某種微量元素(Nb,V,Ti, Cu,Al等)[1-2],并通過微合金成分與工藝的有機結合,控制納米級第二相的析出行為,調節基體的再結晶行為并阻止晶粒長大,間接起到晶粒細化作用.微合金化鋼的綜合性能較好,在低含碳量和超低含碳量下具有良好的成形性和焊接性,成為高性能的新型低合金高強度(high strength low alloy,HSLA)鋼,在石油化工、汽車、船舶、機械軸承等方面具有廣泛的應用[3].銅是一種不依賴碳、氮元素,即可在鋼中產生強烈析出強化效果的合金元素.同時,Cu析出相具有良好的塑性,可使鋼在具有高強度的同時具有較高的塑性,是HSLA鋼中普遍采用的強化元素[4-7].

近年來,Moon等[8-9]的研究發現,有效控制第二相尺寸可以在第二相體積分數很小的情況下使合金材料具有很好的強化效果.根據已有Cu析出研究的方法和變量設置[10-15],本工作結合有限元(finite element methood,FEM)理論[16],構建了以Cu為析出相的微合金化鋼拉伸理論模型,從理論上研究納米Cu析出相及晶界對微合金化鋼力學性能的綜合影響.基于所建立的拉伸理論模型,對微合金化鋼在不同Cu析出相尺寸、晶粒尺寸、應變等因素下進行數值仿真,分析了應力-應變曲線的變化,同時也仿真分析了不同微觀組織結構下晶界對微合金化鋼的影響.

1 有限元模型

Habibi[17]對含有bcc晶體結構的納米Cu析出相的基體在700?C下時效2 h處理后,觀察其透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)圖像(見圖1),發現納米Cu在晶界附近析出,析出相呈帶狀分布.因此本工作在對晶界附近納米Cu析出相進行有限元研究時,根據圖1所示的TEM圖像,建立如圖2所示的仿真模型,圖中晶粒尺寸為2.5μm.采用有限元軟件MSC.Marc對包含納米Cu析出相的微合金化鋼HSLA-80(1.10%Cu-0.85%Ni-0.02%Nb-0.013%Ti)單向拉伸進行仿真,其中基體為鐵素體.由于在平衡狀態下,二維晶粒是六邊形,三維晶粒是五邊十二面體,而實際觀測到的二維晶粒一般為非均勻六邊形,因此為了采用接近實際晶粒形狀的不規則模型來表示晶粒且考慮模型的易構性,并與納米析出相尺度相結合,本工作利用有限元模型構建了一個完整的晶粒模型,并對該完整晶粒的周邊晶粒進行部分建模.模型包含在晶界附近析出的納米Cu析出相、晶界和基體材料.

圖1 700?C下時效2 h后含納米Cu析出相的暗場TEM圖像以及沿<010>晶軸的電子衍射圖Fig.1 Dark field micrograph showing the nano Cu precipitates with spherical-shape in the specimens aged for 2 h at 700?C and electron diffraction pattern with the<010>zone axis

圖2 包含納米Cu析出相的有限元模型Fig.2 FEM model with nano Cu precipitates

圖3 納米Cu析出相粒徑大小分布Fig.3 Size distributions of nano Cu precipitations in typical grains

此外,在無特殊說明下,根據前期實驗結果,在此拉伸模擬中外界給予基體的應變量為0.2.計算中采用如下假設：①一定大小的晶粒內析出相在平均尺寸上下浮動,呈近似正態分布(見圖3);②納米析出相與基體的應變在變形中一致,且累積應變量與宏觀應變相同.在仿真模型中,通過納米Cu析出相微觀組織結構來探究納米Cu析出相對微合金化鋼力學性能的影響,其中Cu析出相的尺寸分別是10,15,20 nm,晶粒尺寸分別是1.25,2.50,5.00μm,有限元模型的單元數依次為401459,416601,357318,析出相間的平均距離為30nm.此外,通過控制拉伸應變量對鋼的力學性能進行了進一步研究,其中有限元計算所采用的本構模型[18]為σ=CGb√ρ,位錯密度與應變之間的關系[19]可以表示為dρbd?k2ρ,k1是常數,k2是與應變速率及溫度有關的軟化參數(k2=k2(˙ε,T)).因計算是在固定溫度及應變速率條件下進行,故k2為常數.模型計算采用的單元類型為4節點平面單元,邊界條件設定為y向上下邊界單元自由變形,x向左右邊界單元沿y向固定,x向拉伸變形.有限元模型所用參數如表1所示,其中E為析出相與基體的楊氏模量,ν為泊松比,?為體積分數，G為剪切模量,C為位錯相互作用系數,b為柏氏矢量.

表1 含納米Cu析出相的材料數值模擬參數[18]Table 1 Simulation parameters of rthe materials with nano Cu precipitates[18]

2 數值模擬結果與分析

2.1 納米Cu析出相尺寸的影響

圖4為微合金化鋼隨納米Cu析出相尺寸變化的應變與應力分布云圖.由圖可知,納米Cu析出相周圍尤其是晶界處應變明顯,最大塑性應變發生在Cu析出相中心部位,最大應變量隨納米Cu析出相尺寸的增大呈近似線性變化關系(見圖5(a)).納米Cu析出相尺寸越小,在相同應變量(ε=0.2)作用下應變越小,這說明納米Cu析出相尺寸的大小對微合金化鋼變形性能有直接影響.析出相尺寸越小,材料內部積累的應變量越小,微合金化鋼的抗塑性變形能力越好,強化作用越好,這與文獻[20]結果吻合.

圖4 不同尺寸納米Cu析出相應變與應力分布Fig.4 Distributions of stress and strain of different sizes of nano Cu precipitates

由圖4(b),(d)及(f)可以看出,晶界的應力響應與納米Cu析出相區別很大,變形后晶界應力、晶內應力、納米Cu析出相的應力分布三者間存在較大差異.對于析出相,根據應變云圖可知納米Cu析出相具備良好的塑性,因此其內部應力未明顯集中,且遠小于晶粒基體應力.對于晶界而言,因為Cu析出相為軟質相,當納米Cu析出相大量聚集在晶界附近時,在外界拉伸作用下,晶界的響應受到附近析出相的作用產生一種近似粘性的流動[21-22],因此晶界會發生較基體更大的應變.析出相附近大量的位錯會隨著拉伸的進行向晶界擴散,而晶界內沒有析出相,位錯繼續向前“無阻力”式擴散,帶來的結果就是晶界的應力小于晶內.納米Cu析出相的存在使析出相成為位錯的增殖源,進而阻礙位錯的運動,起到強化材料的作用.當放大包含20 nm納米Cu析出相的晶界局部應力云圖(見圖6),可以發現在晶界與基體接壤處沿加載方向,應力分布呈波動狀,即圖中黑色箭頭指示處,說明晶粒變形時,晶界參與協調變形作用.由最大應力值與析出相尺寸間的關系(見圖5(b))可知,最大應力隨納米Cu析出相尺寸的增大呈非線性變化,當析出相尺寸為15 nm時,達到最大應力.由于析出相尺寸為納米尺度,根據反Hall-Petch理論[23],納米尺度的析出相對材料強化存在臨界尺寸,說明本工作的計算結果與理論值吻合較好.由此可知,與基體材料相比,納米尺寸的析出相可以對基體進行強化,且尺寸為15 nm的析出相對基體強化作用更為顯著.因此,利用納米Cu析出相對基體材料進行強化時,析出相尺寸存在臨界值,大于或小于該臨界值,納米Cu析出相對材料的強化效果將明顯弱于臨界值附近的納米Cu析出相.

圖5 最大應變、最大應力與納米Cu析出相尺寸的關系Fig.5 Relationships between maximum strain and stress and sizes of Cu precipitates

圖6 晶粒尺寸為5μm,納米Cu析出相為20 nm的應力分布圖Fig.6 Distributions of stress of 20 nm nano Cu precipitates and 5μm grain size

2.2 應變量的影響

以包含20 nm的Cu析出相的5μm晶粒為研究對象,探究不同應變量對基體材料拉伸性能的影響(見圖7).從拉伸模擬的計算結果可以看出,對于相同尺寸的晶粒和析出相,應變量越大,在析出相聚集區域晶界和析出相產生的塑性應變也越大,對這個區域基體塑性的提高更顯著;而沒有析出相分布的晶粒內部應變要小于析出相聚集區.由應力數據曲線(見圖8)可知,隨著應變量的增加,最大應力相應增大,應變量增加對于強化基體的效果非常明顯,這說明晶界及納米Cu析出相聚集區域發生較大的塑性變形,被釘扎的位錯受析出相的阻礙使基體強度進一步增強,未被釘扎的位錯在較大應變下發生了較大滑移,增加了基體塑性.

圖7 不同應變量下納米Cu析出相與基體應變應力分布Fig.7 Distributions of stress and strain of different deformation of nano Cu precipitates

圖8 基體最大應力與應變的關系Fig.8 Relationship between the maximum stress and the strain of matrix

3 納米Cu析出相尺寸與晶界對基體影響的定量研究

為了了解在拉伸過程中析出相和基體應力的具體變化情況,以包含不同尺寸納米Cu析出相的5μm晶粒為研究對象,通過分析單個Cu析出相以及基體附近的應力應變曲線,定量探究析出相體積分數為2%,基體材料在外力拉伸下應變為0.2時納米Cu析出相尺寸對基體性能的影響,分析部位如圖9所示.

圖9中點1,2為析出相內部,點3為析出相與基體的過渡邊緣,點4,5,6均為基體上的點.綜合分析3種析出相尺寸可以發現,在拉伸過程中納米Cu析出相內部應力基本一致.基體應力在彈性階段保持一致,到達屈服平臺時各析出相的基體應力呈20 MPa的輕微起伏,基體的加工硬化變形階段也保持同樣的趨勢，最終應力趨于一致,這說明晶界附近分布的析出相對于提高基體均勻性有一定的積極作用.此外,隨著應變量的增加,基體和近基體的點3處應力迅速增大至屈服點,之后緩慢增大且二者屈服點基本相近.點3處應力值出現拐點,說明變形過程中納米Cu析出相的存在使得位錯的滑移有聚集再釋放的作用.由于納米Cu析出相的彈性模量低于鐵素體基體,所以在過渡邊緣區域,基體的強度受析出相影響也相應降低.與納米Cu析出相內部應力應變相比,界面處的應力大于納米Cu析出相,應變量小于析出相內部的應變量,由此可知納米Cu析出相的存在對提高基體材料塑性具有重要作用.

為進一步研究納米Cu析出相對基體材料的具體強化效應,對各析出相的應變隨時間變化規律進行了分析.圖10為各析出相的應變隨時間變化情況,圖中的分析點編號與圖9中的點一一對應.在變形初期,納米Cu析出相應變隨時間呈非線性變化,而基體應變則隨時間呈線性變化,這說明納米Cu析出相的尺寸效應對材料變形初期影響較為顯著,在材料變形趨于穩定塑性流動時,尺寸效應有所降低.從析出相、基體與晶界的應變對比可以看出,析出相塑性優于晶界和基體,在相同應變量下,應變量從析出相中心到周圍逐漸降低.當對基體材料施加相同應變量時,Cu析出相的響應速度較為迅速,優先發生塑性應變,再次驗證了納米Cu析出相對提高材料塑性的良好作用.此外,在相同應變量下,析出相尺寸越小,應變響應速度與基體更加接近,從而可以提升材料強度.因為在相同體積分數下,析出相尺寸越小晶粒內部析出相數量越多,析出相對位錯的阻礙作用更加顯著,在外界施加變形后,這種由位錯引起的釘扎效應將更加顯著,材料強度提升也更加明顯.

圖9 包含不同尺寸納米Cu析出相與基體的應力應變曲線Fig.9 Strain-stress curves of different sizes of nano Cu precipitates and the matrix

圖11是尺寸為5μm的晶粒中包含不同尺寸的納米Cu析出相與晶界的基體發生塑性變形后的等效局部應變云圖,以及晶界在拉伸過程中各點的應力應變曲線,其中點1,5為晶內基體,點2,4為晶界與基體的過渡邊緣,點3為晶界內部.由應力應變曲線可以看出,晶內基體應力最大,晶界應力最小.由于納米Cu析出相的強化作用使得晶內基體應力高于晶界.拉伸終了階段,可以發現晶界應變值較大,說明晶界內部具有較基體更好的塑性.整體來看,在不同尺寸的納米Cu析出相下基體、晶界屈服強度、應力應變走勢基本一致,由此可知析出相的尺寸對基體、晶界的強度影響不大.

4 結論

(1)納米Cu析出相尺寸的大小對微合金化鋼變形性能有直接影響,析出相尺寸越小,材料內部累積的應變量越小,微合金化鋼變形性能越好.但納米Cu析出相尺寸存在臨界值,大于或小于該臨界值,析出相對材料的強化效果將明顯弱于臨界值附近的納米Cu析出相.

圖10 不同尺寸的納米Cu析出相應變隨時間變化規律Fig.10 Strain evolution of different sizes of nano Cu precipitate at load direction with time

圖11 包含不同尺寸納米Cu析出相與晶界的應力應變曲線Fig.11 Strain-stress curves of different sizes of nano Cu precipitates and the grain boundary

(2)晶界及納米Cu析出相聚集區域更易發生塑性變形,釋放位錯,提高材料的塑性,且晶界的屈服強度趨于平衡后,晶界強度低于基體強度,而塑性優于基體.

(3)應變量的增加使得晶粒內部在拉伸過程中發生塑性應變的速度小于晶界.界面處的應力大于納米Cu析出相,應變量小于析出相內部的應變量,納米Cu析出相與晶界都有提高材料塑性的作用.

(4)納米Cu析出相的尺寸效應對材料變形初期影響較為顯著,在材料變形趨于穩定塑性流動時,尺寸效應有所降低.

(5)晶界在晶粒變形時應力集中小于基體.同時,晶界附近的納米Cu析出相周圍基體應力大于晶界.包含納米Cu析出相及晶界的多晶模型在晶粒變形過程中,晶界參與協調變形.納米Cu析出相會使析出相成為位錯的增殖源,阻礙位錯運動,起到強化材料的作用.

致謝感謝上海交通大學機械與動力工程學院彭穎紅教授、李大永教授對計算工作的指導.

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Effect of Cu precipitation and grain boundary on mechanical properties of microalloyed steel

LI Zhi1,2,HU Lijuan1,2,XIE Yaoping1,2,ZHAO Shijin1,2
(1.Institute of Materials Science,Shanghai University,Shanghai 200072,China; 2.Laboratory for Microstructures,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Based on the elastic plastic finite element method,a microalloyed steel model of tension including Cu precipitation is constructed.This model is introduced into the finite element analysis of tension of microalloyed steel by changing the microstructure of Cu precipitation and grain boundary.Uniaxial tensile tests are conducted under different sizes of Cu precipitation and grain,and various values of the strain.Equivalent strain-stress curves are obtained.Strengthening mechanism is learned by analyzing the distribution of stress and strain.The results show that excellent ductility takes place at the center of Cu precipitation.Both intra-granular plasticity and its strain rate are better than grain boundary.In addition,a tension test of polycrystal model contained Cu precipitation and grain boundary also shows compatible deformation of grain boundary.

microalloyed steel;Cu precipitation;microstructure;grain boundary; mechanical property

TG 142

A

1007-2861(2017)03-0432-11

10.12066/j.issn.1007-2861.1748

2015-09-16

國家自然科學基金青年基金資助項目(51301102)

胡麗娟(1979—),女,博士,研究方向為金屬材料微觀組織演化及材料塑性成形模擬等. E-mail：lijuanhu@shu.edu.cn