熱變形條件對高錳鋼組織與性能的影響

趙奕 朱晶 張亞龍 喬軍

遼寧科技大學 遼寧 鞍山 114051

隨著我國工業的快速發展，鋼材的技術投入與研發、生產力度均不斷加大。其中，某些特殊場所需要用到特厚鋼板進行作業，所以必須具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蝕等[1-4]。由于熱變形過程的工藝參數控制不當而形成的異常晶粒組織，大多無法通過后續的固溶熱處理進行調整以滿足工作要求。因此，為獲得理想的終態晶粒組織以滿足構件的不同使用需求，需對熱變形工藝進行精確控制[5]。高錳鋼因其密度低、具有良好的抗沖擊性能、抗氧化性及耐蝕性等優點，可以很好的滿足特厚板的要求。本研究通過對高錳鋼進行熱變形實驗，研究其在一定壓縮速率和一定溫度下，組織與性能的變化規律，探討高錳鋼特厚板坯生產過程中，熱壓縮形變對組織與性能的影響，為實際生產提供必要的參考。

1 實驗內容和方法

1.1 實驗材料

本文所用實驗材料為含Mn 量為25%的高錳鋼，其化學成分如下表1 所示。

表1 實驗材料化學成分表

1.2 熱模擬試驗方法及設備

利用Gleeble-2000 熱模擬試驗機將高錳鋼在不同溫度(900℃、1000℃、1100℃、1200℃)和不同的壓縮速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s) 下進行壓縮實驗，并記錄典型應力應變曲線。采用Axio Vert.A1 蔡司顯微鏡進行金相試樣的顯微組織觀察。

2 實驗結果分析與討論

2.1 高錳鋼熱變形應力-應變曲線

對高錳鋼打磨拋光后的試樣進行熱模擬壓縮試驗，根據熱壓縮試驗結果,將同一溫度不同應變速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s) 和不同溫度(900℃、1000℃、1100℃、1200℃)同一速率下的載荷行程曲線轉化為應力應變曲線[5]。圖1 顯示了高錳鋼在同一溫度和不同的壓縮速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s)下的典型應力應變曲線。

圖1 不同溫度下的應力應變曲線

在900℃時，在相同的應變情況下，0.01mm/s 的壓縮速度時，所需的應力最小，接著依次是壓縮速度為0.1mm/s、1mm/s，在10mm/s 時所需的應力最大。在1000℃、1100℃、1200℃時，在相同的應變情況下，仍然是0.01mm/s 時所需的應力最小，然后應力由小到大依次是壓縮速度0.1mm/s、1mm/s、10mm/s。

在相同的壓縮速度0.01mm/s 時，在相同的應變下，溫度為1200℃所需的應力最小，接著所需應力由小到大依次是溫度為1100℃、1000℃以及900℃。在壓縮速度為0.1mm/s、1mm/s、10mm/s 時，在相同的應變情況下，仍然是1200℃所需的應力最小，后面應力由小到大依次是溫度為1100℃、1000℃以及900℃。由圖2 可以看出，隨著形變溫度的提高，變形抗力在也在提高[6]。應力隨應變的增加而增加，當應變上升到一定程度的時,流動應力趨于穩定狀態，而且在不同的溫度下流動應力曲線的演化遵循相同的趨勢,即在初始階段增加，然后緩慢減小或平穩，初始應力的增加是由位錯纏結以及變形梯度的應變能量增加引起的。

圖2 不同壓縮速度下的應力應變曲線

2.2 高錳鋼熱變形后的顯微結構

對進行熱模擬壓縮試驗結束后的試樣在Axio Vert.A1 蔡司顯微鏡進行金相顯微組織觀察，可以得到在不同溫度以及壓縮速率下的金相組織。如下圖3、圖4、圖5、圖6 所示。

圖3 試樣在900℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時的金相組織

圖4 試樣在1000℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時的金相組織

圖5 試樣在1100℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時的金相組織

圖6 試樣在1200℃下壓縮速率為(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 時的金相組織

如圖3 和 圖4 所示，在相同溫度的情況下，壓縮速率越大，試樣的晶粒會逐漸的變小，但是在相同溫度下晶粒大小的變化不是很大，晶粒大小通常在300μm左右，結合圖3 和圖4 整體情況來看，在900℃和1000℃下晶粒都比較大，結合應力應變曲線（圖1，a 和b）來觀察，此時應力應變曲線比較平緩，晶粒較大，在相同應變下所需應力比較小。

如圖5 和圖6 所示，在相同的溫度下，壓縮速率越大，試樣的晶粒會逐漸變小，但在相同溫度下晶粒大小的變化仍然不是很大。在1100℃和1200℃下的晶粒要明顯比900℃和1000℃下的晶粒要小，晶粒大小在40μm左右，結合應力應變曲線（圖1，c 和d）來看，此時應力應變曲線較陡，晶粒較小，在相同應變下所需應力較大，但在高溫高壓縮速率下，由于晶粒較小且比較均勻，所以此時應力應變曲線更加陡峭。在相同的壓縮速率下，溫度越高，試樣的晶粒也會逐漸變小，但是這時候的晶粒大小變化較溫度而言變化較大，晶粒大小會從300μm 降到40μm 左右，如圖4（c）在1000℃下1mm/s 的壓縮速率和圖6（c）在1200℃下1mm/s 的壓縮速率時，結合應力應變曲線圖2（c）,壓縮曲線由平緩變得陡峭，這就是晶粒變化較大造成的。實驗表明，晶粒尺寸會隨著變形溫度的升高以及變形速率的增大而減小，試樣會在高溫低壓縮速率的變形條件下傾向于發生動態回復，晶粒易于粗化:在低溫和高應變速率的變形條件下很容易獲得精細的動態再結晶晶粒，但動態再結晶傾向于不完全,導致出現混晶組織[7]。圖5(b)在1100℃下0.1mm/s 的壓縮速率和圖6（d）在1200℃下10mm/s 的壓縮速率所示。實驗結果表明，溫度越高，壓縮速率越大，因為發生了再結晶，晶粒就會越來越均勻并且細小。

3 結論

實驗表明，在相同的應變下，高錳鋼溫度為900℃所需的應力最大。隨著形變溫度的下降，變形抗力也在提高。當溫度在1200℃、壓縮速率在10mm/s 時，壓縮后的厚鑄坯晶粒越均勻并且細小。結合高錳鋼的應力-應變曲線和微觀結構來看，高錳鋼的晶粒越粗大，相同應變下所需的應力越小，即壓縮時變形越容易，當高錳鋼的晶粒越細小時，相同應變下所需的應力越大，也就是壓縮時變形越困難。