熱變形對40CrMnMo鋼的晶粒尺寸影響規律研究

劉晨希，趙憲明，楊 洋

（東北大學 軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

40CrMnMo鋼是一種廣泛應用的中碳合金結構鋼，因其具有良好的淬透性、較好的強韌性、優良的加工性能等眾多綜合特點，廣泛應用于制造重要設備部件，如截面尺寸較大的傳動軸、半軸、曲軸、齒輪、連桿等重載機械零件[1-3]。然而在目前實際生產中40CrMnMo熱軋棒材軋后冷卻時發生彎曲，硬度超過國家標準。硬度超標是因為母相奧氏體晶粒過大會導致晶界面積減小，鐵素體形核位置減少，顯微組織中鐵素體含量降低，貝氏體含量增多，導致硬度升高；奧氏體晶粒過小會使材料發生晶界增多造成晶粒內位錯塞積，位錯運動的阻礙增大導致硬度升高。因此研究變形參數對40CrMnMo鋼的奧氏體晶粒尺寸的影響，選擇合適變形參數下使晶粒均勻、硬度降低，調整貝氏體與鐵素體之間的配比。本文通過研究40CrMnMo鋼在不同變形條件下的熱變形及動態再結晶行為，建立了動態再結晶晶粒尺寸的模型，為40CrMnMo鋼后需的變形工藝參數的制定提供理論依據。

1 材料及實驗方案

所用材料為某鋼廠提供的40CrMnMo鋼，試驗材料取至Φ20mm的棒材，加工成Φ8mm×15mm的實心試樣，在MMS-200熱力模擬機上進行高溫壓縮變形實驗。先將試加熱至1200℃，保溫一段時間后以10℃/s降溫至850-1150℃的變形溫度，然后保溫20s后進行單道次壓縮變形，變形結束后試樣直接淬火保留高溫組織。試樣制備好后采用OLYMPUS-BX51M觀察奧氏體組織，并使用IPP軟件、采用截點法測定平均奧氏體晶粒尺寸。

2 試驗結果及分析

2.1 應力-應變曲線

基于單道次壓縮實驗數據，建立了圖1所示的40CrMnMo鋼在變形量0.8，相同的應變速率，不同變形溫度下的流變應力-應變曲線。圖1(a)和(b)的應力-應變曲線中，應變速率0.01s-1和0.1s-1，所有變形溫度下當流變應力達到峰值后都有下降的趨勢，呈動態再結晶型。圖1(c)和(d)的流變應力-應變曲線中，應變速率1s-1和10s-1，在所有變形溫度下應變到0.3后流變應力達到峰值，流變應力隨著應變的增加保持穩定不變，呈動態回復型。

圖1 40CrMnMo鋼的應力-應變曲線(a)0.01s-1；(b)0.1s-1；(c)1s-1；(d)10s-1。

可見，同一應變速率下，變形溫度升高，峰值應力降低，且峰值應力向應變小的方向移動；在相同變形溫度下，應變速率越大，流變應力越大。峰值應力的變化說明在不同的變形條件下中發生的動態再結晶程度不同，變形溫度和應變速率對動態再結晶行為都有明顯的影響。變形溫度850℃，加工硬化明顯，發生動態軟化困難；隨著變形溫度的升高，晶粒的儲存能升高，晶內原子擴散速度加快，位錯通過滑移或攀移，使位錯消失和重新排列，位錯運動的驅動力增大且晶粒內的儲存能增多，從而易于發生動態再結晶。應變速率的增大使發生變形的時間的縮短，導致位錯密度在較短變形時間內急劇增加，沒有充足的時間形成新晶核，奧氏體不易發生動態再結晶，動態再結晶的效果減小，隨著應變速率的增加使加工硬化效果增加，使動態軟化和加工硬化的作用效果達到相互平衡。

2.2 熱變形參數對晶粒尺寸的影響

圖2是40CrMnMo鋼在變形溫度950℃，變形量0.8，不同應變速率下的顯微組織。應變速率的增大使奧氏體晶粒尺寸逐漸減小，奧氏體晶粒尺寸由17.96μm減小到5.93μm。在應變速率0.01s-1，原始奧氏體晶粒發生再結晶現象；應變速率的增加使不均勻的晶粒轉變為均勻的等軸晶形貌，發生動態軟化的時間減短，晶粒逐漸變得細小、均勻。當應變速率達到10s-1時，發生動態回復行為，由于動態軟化作用減小，導致有少數長條狀晶粒來不及發生再結晶轉變為等軸晶。應變速率的增提高加工硬化效果，位錯增殖速度提高，在同一變形量下，獲得的位錯密度越高，晶粒內形變儲存能也越大，為奧氏體再結晶提供了足夠的驅動力；應變速率的增大，縮短了變形時間，使變形后的奧氏體晶粒沒有足夠的時間發生回復和長大。因此晶粒尺寸隨著應變速率的增大而減小，在應變速率10s-1時奧氏體平均晶粒尺寸達到5.93μm。

圖2 不同應變速率下的顯微組織 (950℃, e=0.8)(a)0.01s-1；(b)0.1s-1；(c)1s-1；(d)10s-1。

圖3為40CrMnMo鋼在變形量0.8、應變速率1s-1，不同變形溫度下的顯微組織。由圖可見，隨著變形溫度逐漸升高，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大。在變形溫度為850℃時，部分奧氏體晶粒沿著軋制方向壓縮變形，未發生再結晶，呈扁平組織；隨著變形溫度的升高，奧氏體晶粒逐漸轉變為等軸晶，且晶粒的平均尺寸越來越大，從4.28μm增大到25.13μm。在相同的應變量和應變速率下，由于變形溫度的升高，晶粒的長大速度越來越快，原子擴散的速度越快，隨著晶界的遷移，小晶粒逐漸被吞并，形成了晶粒尺寸較大的等軸晶。

圖3 不同變形溫度下的顯微組織 (e=0.8,=1s-1)(a)850℃ ；(b)950℃ ；(c)1050℃ ；(d)1150℃。

2.3 動態再結晶晶粒尺寸模型的建立

動態再結晶的發生與應力-應變曲線的峰值應力σP有關，流變應力σ主要受變形溫度T和應變速率的影響，為了表征變形參數對DRX的影響規律，引入參數Z，一般表示為[4-7]：

在真應力-應變曲線中，它適用于各種應力水平的σ和ε˙關系，雙曲正弦形式修正的Arrhenius關系式[8]能夠包含再結晶激活能Q和溫度，用于描述變形后熱激活能的變化。如下：

式中，A、n1、n、α均與溫度無關；A為結構因子，s-1；n為應力指數；α為應力水平參數，MPa-1，σ表示為峰值應力、穩態應力或某一指定應變時的流變應力，MPa。

采用式(2)的對數形式：

采用優化算法可以得到方程的系數，即：

參數Z包含了應變速率、形變溫度對變形后奧氏體再結晶晶粒的影響。提高應變速率˙與降低變形溫度，都有利于參數Z增大，對應的流變應力峰值σP較高，參數Z越大奧氏體晶粒越細。在其他變形參數相同的情況下，較高的應變速率或較低的形變溫度及較大形變量都能減小奧氏體再結晶晶粒尺寸。

材料在動態再結晶變形階段，計算平均晶粒尺寸的數學模型，如下式[9]：

式中，C、nd為模型系數。

將式(7)兩邊同取自然對數，可得：

圖4 lndDRX與lnZ的線性關系

對lndDRX-lnZ曲線進行線性擬合，得到斜率為-nd=-0.199，截距為lnC=8.266。由此可得nd=0.199，C=3.89×103。

則40CrMnMo鋼動態再結晶晶粒尺寸模型為：

3 結論

（1）變形溫度、應變速率、變形量對40CrMnMo鋼熱變形行為具有重要的影響。40CrMnMo鋼在變形溫度為50℃、應變量0.8、應變速率為1s-1下易于發生動態再結晶。

（2）奧氏體晶粒尺寸受變形參數的影響。變形溫度的降低、應變量增加或應變速率升高而減小能使晶粒逐漸細化，當應變速率達到1s-1后，隨著應變速率的增加細化效果不明顯。

（3）對40CrMnMo鋼的應變速率和變形溫度對晶粒尺寸影響的曲線進行線性擬合，得出其動態再結晶晶粒尺寸模型為：