40CrNiMo鋼高溫拉伸變形行為和組織演變規律

賈昌遠， 霍元明， 何 濤， 霍存龍， 劉克然

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

高鐵車軸是高鐵行駛過程中的主要承載零部件之一，承受著復雜動載荷，決定著列車的安全運行[1-3]，國內外由于車軸斷裂而導致的大型交通事故時有發生[4]。40CrNiMo鋼有望成為我國高鐵車軸用鋼，目前仍處于研究試驗階段。高溫軋制工藝目前越來越多地用于車軸成形，其具有效率高、精度準確等優點，但也存在軋制時材料力學性能降低，內部出現空洞、裂紋等損傷缺陷[5-8]。目前針對40CrNiMo鋼的研究停留在通過熱處理工藝提高其力學性能[9-11]和壓縮試驗中40CrNiMo鋼的宏微觀組織演變規律[12-14]方面，缺乏一套能模擬40CrNiMo鋼高溫軋制時材料內部各力學性能變化的研究機制[15-17]。本文旨在通過對40CrNiMo鋼試件進行高溫拉伸來研究40CrNiMo鋼在不同條件下高溫拉伸時的力學性能變化、微觀組織演變以及塑性損傷形成機理[18-20]，指導車軸軋制工藝，提高車軸的力學性能和成品合格率。

1 試驗材料和方法

試驗材料為某鋼廠生產的40CrNiMo鋼，其化學成分如表1所示，符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》要求。采用如圖1所示的光滑和缺口圓棒拉伸試樣，在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行高溫拉伸試驗，其中光滑試樣(RB6)的試驗溫度分別為950、1050、1150 ℃，應變速率分別為0.5、1.0、5.0 s-1，各缺口試樣(NRB5、NRB10和NRB15)的試驗溫度分別為950、1050、1150 ℃，應變速率為1.0 s-1。

表1 40CrNiMo鋼的化學成分(質量分數，%)

圖1 光滑(a)和缺口(b～d)圓棒拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagrams of smooth(a) and notched(b-d) rod tensile specimens(a) RB6; (b) NRB5; (c) NRB10; (d) NRB15

高溫拉伸試驗后的試樣縮頸明顯，幾乎觀察不到斷口截面，因此利用電火花數控線切割機床在斷口處沿軸向切取金相試樣，經鑲樣、水砂紙研磨、拋光、清洗后，采用飽和苦味酸+十二烷基苯磺酸鈉+雙氧水的混合水溶液水浴加熱到50 ℃左右進行腐蝕，腐蝕時間控制在1～2 min內，得到原奧氏體組織形貌，采用Axio Imager 2光學顯微鏡和Prisma E SEM掃描電鏡對斷口及附近的變形區域進行微觀組織觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 光滑試樣的高溫力學性能

圖2為40CrNiMo鋼光滑圓棒試樣RB6在不同拉伸變形條件下的流變應力-應變曲線?？梢钥闯?，當變形溫度相同時，應變速率越大，峰值應力越大，而應變速率一定時，隨著溫度的升高，峰值應力下降。這是因為增大應變速率雖能提高材料內部的位錯密度，導致材料各向異性增強，發生一定的硬化作用，但溫度的提高導致材料的軟化程度增加。

圖2 不同拉伸條件下光滑拉伸試樣的流變應力-應變曲線Fig.2 Flow stress-strain curves of the smooth tensile specimen under different tensile conditions(a) 950 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1150 ℃

圖3為RB6試樣在不同變形條件下的顯微組織。由圖3(a～c)可知，當變形溫度相同時，增大應變速率會導致動態再結晶不充分，晶粒大小不均勻，材料性能下降。當應變速率為0.5 s-1時(見圖3(a))，晶粒比較均勻，在該條件下，拉伸變形溫度在40CrNiMo鋼的動態再結晶臨界溫度以上，應變速率較低，材料內部動態再結晶充分，晶粒大小均勻；應變速率為1.0 s-1時(見圖3(b))，晶粒均勻度下降，材料內部動態再結晶程度相比0.5 s-1時有所降低，晶粒大小基本趨于均勻；當應變速率為5.0 s-1時，晶粒大小不一，這是因為應變速率的提高會增大位錯密度，位錯累積而得不到回復再結晶的緩和，導致明顯的晶粒不均勻，這會嚴重降低材料的力學性能。通過SEM觀察可以發現，當應變速率為0.5 s-1和1 s-1時，材料內部僅出現了輕微的晶界損傷[21]，但當應變速率為5.0 s-1時，材料內部不僅晶界損傷加重，還出現了程度不一的微孔洞。

圖3 不同拉伸條件下光滑拉伸試樣RB6的顯微組織Fig.3 Microstructure of the smooth tensile specimen RB6 under different tensile conditions(a) 1050 ℃, 0.5 s-1; (b) 1050 ℃, 1.0 s-1; (c) 1050 ℃, 5.0 s-1; (d) 950 ℃, 1.0 s-1; (e) 1150 ℃, 1.0 s-1

由圖3(b, d, e)可知，當應變速率相同時，隨著變形溫度的增加，晶粒發生了明顯的長大。當變形溫度為950 ℃時，晶粒尺寸約26 μm，晶粒度等級約為7。當變形溫度升高為1050 ℃時，晶粒尺寸約38 μm，晶粒度等級約為6，即晶粒尺寸有所長大，但程度不明顯。當變形溫度進一步升高至1150 ℃時，晶粒尺寸約70 μm，晶粒度等級約為4，此時的晶粒尺寸較950 ℃時增大了近3倍。通過SEM觀察可以發現，當變形溫度為950 ℃時，材料內部晶界損傷不明顯，并出現程度不一的動態再結晶，當變形溫度為1050 ℃時，晶粒尺寸長大不明顯，內部損傷也不明顯，且溫度的升高能在一定程度上提高材料的回復再結晶程度。當變形溫度為1150 ℃時，晶粒已明顯長大，導致材料內部出現較大的損傷孔洞。結合圖2可知，變形溫度在950～1050 ℃時已經出現了一定的動態回復和再結晶[22-23]，產生了一定程度的軟化作用，導致了峰值應力的降低；而變形溫度在1050～1150 ℃時晶粒尺寸迅速長大，材料軟化程度加劇，導致材料的流變應力降低。

2.2 缺口大小對材料性能的影響

材料在拉伸過程中，由于內部各位置在各個方向上受力不均，而產生塑性損傷，這種受力不均勻程度可以用應力三軸度進行量化，為方便研究應力三軸度對材料塑性損傷的具體影響，可以在拉伸圓棒中間開不同大小的缺口，不同的缺口半徑對應不同的應力三軸度大小，從而得到不同應力三軸度下材料的塑性損傷演變規律。在缺口試件的拉伸過程中，應力三軸度恒為正值，在拉伸過程中材料的損傷機理為孔洞的形核、長大和聚集，該過程的每一步可以通過真應力-真應變曲線表達，如圖4所示[24]。

圖4 材料的塑性損傷形成機理示意圖[24]Fig.4 Schematic diagram of plastic damage formation mechanism of the materials[24]

由圖1可知，缺口拉伸試樣的缺口半徑分別為5、10、15 mm，試樣最小截面處直徑為φ5 mm，可用公式(1)計算出不同缺口處所對應的應力三軸度：

(1)

式中：η是應力三軸度；a是試件最小截面處半徑；R是缺口半徑。應力三軸度的值會隨著應變的增加而發生變化，從而導致材料發生損傷的程度也有所不同。本研究把光滑和缺口試樣的初始應力三軸度視為不在整個拉伸過程中發生變化的恒定值，雖然結果可能與實際情況有所偏差，但是這并不影響應力三軸度與塑性損傷之間的變化關系。根據式(1)計算得出光滑和缺口試樣的應力三軸度及對應的斷裂應變值如表2和圖5 所示。

表2 拉伸試樣的應力三軸度和斷裂應變(應變速率1.0 s-1)

圖5 拉伸試樣的應力三軸度和斷裂應變Fig.5 Stress triaxiality and fracture strain of the tensile specimens

由圖5可知，隨著應力三軸度的增大，斷裂應變基本上減小。這是因為應力三軸度的增大導致材料內部各點在3個方向上的受力不均勻程度變大。在拉伸過程中損傷更容易在應力三軸度較大的地方開始形核、長大并形成微裂紋。圖6為變形溫度1050 ℃、應變速率1.0 s-1下缺口拉伸試樣的顯微形貌，結合圖3(b)光滑試樣的顯微組織可以看出，隨著缺口半徑的減小，材料內部的塑性損傷也越明顯，宏觀上會導致材料的斷裂應變隨之減小。即應力三軸度的增加會導致材料內部更容易產生損傷的形核、長大及匯聚成微裂紋，從而導致材料的斷裂應變降低，材料在實際使用過程中更容易失效。在車軸實際軋制過程中，在保證一定生產效率的前提下，可以通過盡可能減小楔橫軋模具的成形角，并適當增大展寬角的方法，來降低材料塑性變形時內部各處的動態應力三軸度值，降低損傷發生的概率。

圖6 變形溫度1050 ℃，應變速率1.0 s-1時缺口拉伸試樣的顯微形貌Fig.6 Morphologies of the notched tensile specimens deformed at 1050 ℃ with strain rate of 1.0 s-1(a) NRB15; (b) NRB10; (c) NRB5

3 結論

1) 應變速率從0.5 s-1增大至5 s-1，40CrNiMo鋼光滑圓棒試樣的峰值應力隨之增加，位錯密度增加，導致加工硬化，晶粒大小不均勻程度增加，降低材料的力學性能。材料更容易產生塑性損傷。

2) 拉伸試驗溫度從950 ℃提高到1150 ℃，試件的拉伸峰值應力下降，且晶粒尺寸增大了近3倍。峰值應力的降低是由于變形溫度的提高使得材料發生一定程度的軟化，晶粒長大也加劇了晶界損傷的形成，共同導致峰值應力的降低。

3) 拉伸試件的初始應力三軸度與缺口半徑成負相關關系，且應力三軸度值的增加會加劇材料塑性損傷的形成，更容易導致損傷形核、長大及匯聚成微裂紋，從而使得拉伸試件的斷裂應變值降低。

4) 在車軸實際軋制過程中，在保證一定生產效率的前提下，可以通過盡可能減小楔橫軋模具的成形角，并適當增大展寬角的方法，來降低材料塑性變形時內部各處的動態應力三軸度值，降低損傷發生的概率。