石墨化碳鋼室溫壓縮變形過程的試驗研究

張永軍 張鵬程 王九花 于文杰 韓靜濤

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083)

常用的硫系和鉛系易切削鋼冶煉時,空氣污染嚴重，且鉛有毒，對人體有害。鉛易切削鋼的使用將逐漸受到限制，一些國家已經限制回收含鉛的汽車構件。因此，開發和生產環境友好的低硫、無鉛易切削鋼是重要的發展方向。石墨化易切削鋼正是順應這種發展趨勢而提出的。石墨化易切削鋼，一方面，在切削加工前，通過滲碳體分解的石墨化過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程中，游離態的石墨再次固溶到基體中，使鋼的強度回升。石墨化易切削鋼兼具較高的切削性和冷成形性能，適用于對切削性、冷成形性以及淬透性有較高要求的機械結構件，如螺栓、螺母、螺釘、鉚釘等各種機械標準件(緊固件)。

常采用冷鐓工藝制造緊固件，不但效率高、質量好，而且用料省、成本低。目前，文獻更多關注的是石墨化易切削鋼的石墨化過程、切削性能及其冷成形性能[1- 7]，但對其冷頂鍛過程中變形行為等方面的研究報道較少。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方便而實用的試驗方法[8]，因此，本文利用Gleeble- 3500模擬試驗機對以鐵素體+石墨為組織特征的石墨化碳鋼進行室溫準靜態壓縮變形試驗，研究了應變速率(0.01、0.1、1 s-1)對其變形行為及組織演變特征的影響。

1 試驗材料與方法

試驗以45鋼為原料，采用ZG- 50型真空感應電爐熔煉，爐內真空度為1.33 Pa，澆注成鋼錠，其化學成分(質量分數，%)為0.46C，1.3Si，0.46Mn，0.009S，0.009P，0.006B。鋼錠經熱鍛成型后再進行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熱模擬試驗機上進行室溫準靜態單軸壓縮試驗，應變速率分別為0.01、0.1、1 s-1。變形過程中記錄試樣的載荷- 位移曲線。試驗結束后，將試樣沿軸向剖開，經打磨、拋光和體積分數為3%的硝酸酒精溶液侵蝕后，利用光學顯微鏡進行顯微組織觀察，并利用Image- pro圖像分析軟件對試樣中的石墨粒子和鐵素體的尺寸進行測量和統計。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

壓縮后的試樣表面及內部未發現宏觀及微觀裂紋，說明試驗鋼的冷鐓性能良好。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

試驗鋼以0.01、0.1和1 s-1應變速率壓縮變形時的載荷- 位移曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，試驗鋼的壓縮載荷隨著位移的增大而增大，即在小位移時穩定增加，在大位移時急劇增加，為了定量描述這一特征，對載荷- 位移曲線進行了擬合，得到了3個應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)

當位移x≥6.5 mm時，其載荷- 位移擬合公式為：

y=9 183.124 41x-24 876.511 47

(2)

圖2 試驗鋼在不同應變速率下壓縮變形時的載荷- 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)

當位移x≥6.5 mm時，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)

當位移x≥6.5 mm時，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，式(1)～式(6)擬合的載荷- 位移曲線與試驗曲線吻合較好。在以不同應變速率壓縮變形過程中，其載荷- 位移曲線均在6.5 mm位移(相應壓下量為54.2%)時發生轉折，即在位移小于6.5 mm的壓縮過程中，載荷隨位移的增大而穩定增大。而在位移大于6.5 mm的壓縮過程中，載荷隨位移的增大急劇增大。另外，從圖2還可以看出，應變速率對載荷- 位移曲線的影響不大。

2.3 鼓形特征

由于萬能材料試驗機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[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，3個應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，且數值大小也接近，均在壓下量為54.2%時出現最大值。

2.4 變形組織特征

試驗鋼在以不同應變速率室溫壓縮變形時，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為當應變速率為0.1 s-1時，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，石墨和鐵素體明顯未被壓扁(見圖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 以不同應變速率壓縮的試樣的鼓度和端面徑向伸長率與壓下量之間的關系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 應變速率為0.1 s-1時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)對石墨粒子與鐵素體基體的微觀變形量進行計算：

(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%。對以0.01、0.1、1 s-1應變速率、不同壓下量壓縮變形試樣的3個不均勻變形區(難變形區、自由變形區、大變形區)的石墨粒子和鐵素體基體的尺寸進行統計，并根據式(7)和式(8)計算石墨粒子與鐵素體的微觀變形量，其統計結果如圖5所示。從圖5可以看出，不論是大變形區、自由變形區還是難變形區中，當試樣總壓縮變形量一定時，石墨粒子的變形量總高于鐵素體基體的變形量。研究認為，這是石墨的結構特點造成的，即石墨晶體結構為簡單六方點陣，層與層之間比較容易滑動，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，應變速率對石墨和鐵素體基體的微觀變形量影響較小，這可能與試驗的準靜態條件有關，即較低的應變速率對試驗鋼壓縮變形過程中的微觀組織影響不大。

3 結論

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)試驗范圍內的應變速率(0.01、0.1、1 s-1)對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，這是準靜態變形條件下，低應變速率對材料的變形行為影響不大所致。

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

(3)應變速率為0.01、0.1、1 s-1時壓縮試樣的鼓度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)時出現最大值，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率急劇增加所致。

(4)應變速率為0.01、0.1、1 s-1時壓縮試樣的大變形區、自由變形區和難變形區中，石墨粒子的變形量總高于鐵素體基體的變形量，這與石墨的簡單六方結構中層與層之間比較容易滑動，且硬度極低有關。