（材料学专业论文）中碳马氏体组织温压缩的流变应力及微观组织与力学性能.pdf

摘要 摘要 本文利用g l e e b l e3 5 0 0 热力模拟试验机，对中碳钢的马氏体( m ) 组织、 铁素体+ 珠光体( f + p ) 组织和球化组织( s ) 的温变形进行了模拟实验研 究，表明随变形温度提高，m 组织的流变应力与f + p 组织和球化组织的接 近，甚至可低于f + p 组织。说明m 温轧与近年来流行的f 轧制具有同样应 用的可行性。并且m 温轧后的组织更细小，力学性能更好，因此研究m 温 轧既具有学术价值，更具有重要的工程意义。 温压缩实验测定的流变应力表明，在3 5 0 7 0 0 压缩，应变速率越低， m 组织的流变应力越低，低于临界应变速率，高于临界温度或临界应变， m 组织的流变应力低于f + p 组织，但略高于球化组织。m 组织的加工软 化率和应变速率敏感性指数都大于f + p 和球化组织。 导致m 组织温变形流变应力上述特点的机制是m 组织位错密度和界面 密度都远高于退火组织，处于很高的能量状态，在温变形时，除降低动态 回复和动态再结晶温度，加速此类软化过程外，晶界滑动和位错扩散性蠕 变等其他加工软化作用比退火组织的更显著。 t e m 定量观测表明，m 在5 5 0 7 0 0 压缩5 0 后，f 动态再结晶晶 粒尺寸约为o 5 6 1 7 3i - t m ，相应的碳化物平均尺寸约为3 2 6 0n n l 。而f + p 组织在6 0 0 压缩发生部分动态再结晶，6 5 0 7 0 0 发生完全动态再结 晶，7 0 0 压缩f 晶粒尺寸约为2 6 0l a m ，6 0 0 7 0 0 压缩，碳化物尺寸为 1 6 0 2 1 0 啪。 室温单轴拉伸实验结果表明，m 温压缩后的屈服强度比f + p 温压缩的 高3 9 2 2 7 8 0 ，比球化组织的高2 2 ，6 80 4 6 2 ，而延伸率略高或相等。 m 温变形后组织的力学性能高于退火变形组织的原因是晶粒的细化和纳米 碳化物的均匀分布。 关键词马氏体；温压缩；流变应力：加工软化率：应变速率敏感性指数 亚微米晶粒；纳米碳化物 燕山大学上学硕十学何论文 a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，t h ef l o wc u r v e so fm a r t e n s i t es t r u c t u r e ( m ) ，f e r r i t ep l u s p e a r l i t es t r u c t u r e ( f + p ) a n ds p h e r i c a ls t r u c t u r e ( s ) i nam e d i u mc a r b o ns t e e l w e r ed e t e r m i n e db yw a r m c o m p r e s s i o nt e s t sp e r f o r m e do nag l e e b l e 3 5 0 0 m a c h i n e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t r o o mt e m p e r a t u r ew e r ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e db yt e m ，s e m ，h a r d n e s sa n d t e n s i l et e s t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o ws t r e s so fmd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s ei nd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dg r a d u a l l yc l o s et ot h ef l o ws t r e s so f f + pa n ds ，o re v e nb e l o w t h e s ei m p l yt h a tt h emw a r nw o r k i n gh a st h es a m e f e a s i b i l i t ya sf e r r i t i cr o l l i n g ，w h i c hi sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n g f u r t h e rm o r e ， t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw a l t f ld e f o r m e ds t e e lw i t hma ss t a r t i n gs t r u c t u r e a r em u c hb e t t e rt h a nt h a to ft h es a m es t e e ld e f o r m e dw i t hf + po rs ，d u et ot h e w a r md e f o r m a t i o no fmh a sas t r o n g e re f f e c to fg r a i nr e f i n e m e n tt h a nt h a to f f + p o r s 。 t h ef l o ws t r e s s e s ，s u c ha sp e a ks t r e s s ，y i e l ds t r e s sa n ds t a b l es t r e s so fm a r ed e c r e a s e d 、v i mt h es t r a i nr a t e sa tt h et e m p e r a t u r e sr a n g ef r o m3 5 0 t o7 0 0 t h ef l o ws t r e s so fmi sl o w e rt h a nt h a to ff + p , b u tl i t t l eh i g h e rt h a nt h a to fs w h e nt h es t r a i nr a t ei sl o w e rt h a nt h ec r i t i c a ls t r a i nr a t e ，t h et e m p e r a t u r ei s h i g h e rt h a nt h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r e ，o rt h es t r a i ni sl a r g e rt h a nt h ec r i t i c a ls t r a i n i ti sf o u n dt h a tt h es t r a i nr a t es e n s i t i v ei n d e xa n dt h ew o r k s o f t e n i n ge f f e c to fm a r et h el a r g e s ta m o n gt h et h r e es t r u c t u r e s t h er e a s o no fa b o v ef l o wb e h a v i o r so fmo c c u r r e dd u r i n gw a r l n c o m p r e s s i o ni st h eh i g hd i s l o c a t i o nd e n s i t ya n di n t e r f a c ed e n s i t yw h i c hm a k e t h es t r u c t u r ee n e r g ys t a t eo fmv e r yh i g h b e s i d e sd y n a m i cr e c o v e r ya n d d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，g r a i nb o u n d a r ys l i d i n ga n dd i s l o c a t i o nd i f f u s i o n a l c r e e pa r em o r ei m p o r t a n ti nw o r k s o f t e n i n go f mt h a nt h a to f f + r t h eq u a n t i t a t i v eo b s e r v a t i o nb yt e ms h o w st h a tt h em e a ng r a i ns i z e so f t i a b s t r a c t d y n a m i cr e c r y s t a l l i z e df e r r i t ea l ei nt h er a n g eo fo 5 6 a mt o1 7 3p , m a n dt h e m e a ns i z eo ft h ec a r b i d ei sa b o u t3 2 6 0n l l lf o rmw a r mc o m p r e s s i o na t t e m p e r a t u r eo f5 5 0 7 0 0 b u t ，f o rf + pw a f n lc o m p r e s s i o n ，l o c a ld y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r r e da t6 0 0 ，e n t i r e t yd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r r e d a t6 5 0 7 0 0 。c ，t h em e a ng r a i ns i z e so fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nf o rf e r r i t e w l l l mc o m p r e s s i o na r e2 6 3p t ma t7 0 0 a n dt h em e a l ls i z eo ft h ec a r b i d ei s a b o u t l 6 0 2 1 0n m i n t h a t o f f + r u n i a x i a lt e n s i l et e s t sa tr o o mt e m p e r a t u r es h o wt h ey i e l ds t r e n g t ho ft h em w a r mc o m p r e s s i o ns a m p l ei si n c r e a s e db y3 9 2 - 2 7 8 0 c o m p a r e dt ot h a to f f + p ，a n di n c r e a s e db y2 2 6 8 - 5 4 6 2 t ot h a to fs t h ee l o n g m i o ni sa l m o s tt h e s a m e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fmi sh i g h e rt h a nt h a to f a n n e a l i n gs t r u c t u r e a f t e rw a r m c o m p r e s s i o n ，p r o b a b l yb e c a u s eo ft h ef i n ef e r r i t eg r a i nw i t h u n i f o r m l yd i s t r i b u t e dl l a n o s i z e dc a r b i d ep a r t i c l e s k e y w o r d sm a r t e n s i t e ；w f l 1 1 1c o m p r e s s i o n ；f l o ws t r e s s ；w o r k - s o f t e n i n g ； s t r a i nr a t es e n s i t i v ei n d e x ；s u b m i c r o ng r a i n ；l l a n o s i z e dc a r b i d e 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 钢铁材料的流变应力是影响其塑性加工性能的重要参数之一，并对有 限元模拟的预报精度有很大的影响。多年来对材料流变应力的研究报道主 要集中在冷、热加工领域，而对温加工，研究报道较少i l ，2 】。与冷加工比， 温加工可显著降低材料的流变应力，生产较大尺寸的零件。与热加工比， 温加工的零件不但尺寸精度高，基本没有氧化和脱碳问题，而且具有细化 微观组织和提高力学性能的作用。因此，自上世纪7 0 年代以来，得到较快 的发展和研究应用。但是，无论在学术研究和工程应用方面，钢铁材料温 变形的流变应力研究都是针对铁素体组织( f ) 或铁素体+ 珠光体组织( f + p ) ，有关马氏体组织( m ) 的研究很少有报道。从塑性变形细化组织的角 度看，m 组织与f + p 组织相比，m 组织板条的宽度约0 2 0 6p m ，高碳 m 片的尺寸更小，其位错密度远远高于f + p 组织，冷塑性变形后低温退火 利于获得超细晶粒乃至纳米晶粒组织；此外，m 组织界面原子体积分数远 高于f + p 组织，因此，相同的宏观杂质含量，m 组织单位界面的杂质数量 少，这使钢材性能对有害杂质含量的敏感性降低；同时，m 组织继承了高 温奥氏体的化学成分均匀性的特点，易于实现超均质，近来的研究表明， m 组织塑性变形和再结晶的细化晶粒效果比f 或f + p 组织的更好。但是 m 组织是碳固溶于a f e 的过饱和固溶体，其冷塑性变形抗力很高，所以， 关于m 组织冷塑性变形的研究主要集中在低碳钢，而中、高碳钢变形抗力 更高并有脆性，难以进行冷塑性变形。如何降低m 的流变应力，并保持其 细化晶粒的作用，是非常值得系统研究的问题。 众所周知，材料的流变应力和塑性行为不仅取决于材料的化学成分和 微观组织，变形温度，应变速率，应变量，应力状态和环境介质等外在因 素对材料的力学行为也都有十分重要的影响。其中变形温度、应变速率和 应变量，特别是变形温度和应变速率对钢铁材料的流变应力的影响最为显 燕山人学工学硕上学何论文 著。实验表明，调整温变形温度、应变速率，m 组织的流变应力可以等于 甚至低于f + p 组织的流变应力。这种现象的意义在于利用钢的m 组织， 采用温加工来制各精密零件和晶粒更细小的钢铁材料。毫无疑问，这对钢 铁材料压力加工及其理论的研究和晶粒细化都很有意义。m 组织流变应力 低，能耗少，可利用现有设备进行变形，同时可以延长模具的使用寿命； m 组织化学成分均匀，特别是组织均匀而细小，十分有利于通过温加工获 得超细晶粒组织。因此，m 组织的温加工可望发展成实现传统钢铁材料超 细化和超均质的新途径。 本文拟用g l e e b l e3 5 0 0 热力模拟试验机，系统的对温压缩的温度和应变 速率对4 5 钢m 、f + p 和f + 粒状f e 3 c 组织的流变应力和微观组织与力 学性能的影响进行对比研究，并初步研究了4 5 钢回火马氏体、回火索氏体、 回火屈氏体组织对温压缩流变应力的影响。探索利用m 组织温塑性成形的 同时实现组织超细化的可行性。 1 2 材料温变形条件下的流变应力 材料流变应力的大小是材料能否实现塑性变形的关键。现阶段，对于 流变应力的研究还是主要集中在热变形方面，随着温变形的发展，温变形 流变应力的研究越来越得到人们的重视。材料变形的流变曲线有三种【3 j ，如 图1 1 所示：加工硬化型，动态回复型，动态再结晶型。 金属材料塑性变形阻力的大小，决定于金属材料的化学成分、组织、 加工温度、变形速度、变形程度以及与这些有关的各个过程，如加工硬化、 动态再结晶、动态回复、静态回复等。这些影响变形阻力的大小因素，可 用式( 1 1 ) 表述| 4 1 ： 仃= ，( x ，t ，营，占，f ) ( 1 一1 ) 其中，x 为金属的化学成分和组织：7 1 为变形温度；言为变形速度；为 变形程度；f 为相邻加工道次间时间间隔。 2 第1 章绪论 图1 - 1 压缩变形的典型流变曲线 f i g i - 1t h e t y p i c a l f l o wc u r v e so f m e t a lu n d e rc o m p r e s s 同一材料变形过程中，在任何应变或稳态的流变应力盯取决于变形温 度丁和应变速率j ，对不同加工数据的研究表明，仃和言之间的数学关系表 达式主要有以下3 种情况 5 7 1 ： ( 1 1 低应力水平时： 叠= a l o “1 ( 1 - 2 ) ( 2 ) 高应力水平时： 童= a 2e x p ( , & r ) ( 1 - 3 ) ( 3 ) 整个应力范围： j = a s i n h ( a o - ) e x p ( 一q r t ) ( 1 4 ) 其中，a 卜a 2 、a 、1 7 1 、n 、a 、砌为与温度无关的常数，4 为结构因子( s 。) ， 为应力指数，口为应力水平参数( m p a 1 ) ；r 为气体常数；t 为变形温度； q 为变形激活能；d 、卢和n 之间满足a = f l m 盯表示峰值应力或稳态应力， 或相应于某指定应变量时对应的应力。 1 9 4 4 年z e n e r 和h o l l o m o n 提出并验证了应变速率和温度的关系可用参 数z 表示： z = 舌e x p ( q r t 、 ( 1 - 5 ) 其中，z 为z e n e r - h o l l o m o n 参数，是温度补偿的变形速率因子。变形激活 燕山大学工学硕士学位论文 能q 反映了材料变形的难易程度，也是材料在变形过程中重要的力学性能 参数，其值通常与激活焓a h 相等。z 和盯之间符合以下关系式： z = a s i n h ( a c 0 ” ( 1 - 6 ) 流变应力可用z 常数表达为： 1 盯= t - - l n ( z a ) “”+ 【( z 一) 2 m + 1 “2 ) ( 1 7 ) a 在实际应用中，只要f = 生n a 、q 、h 和d 等材料常数，即可求出材料在 任意变形条件下的流变应力大小，该方程已被广泛地应用于挤压、轧制、 压缩和扭转等常规加工变形的研究中。 通过流变应力的研究，预测材料的变形抗力，对生产实际具有熏要的 价值。p h a n i r a j f8 j 通过建立神经网络元模型，预测了含碳量为0 0 3 o 3 4 的 碳钢，在应变速率为2 1 2 0s 一，温度为9 0 0 1 1 0 0 范围内的流变应力， 误差为5 。王国栋p 1 、李维娟1 0 1 等对s s 4 0 0 钢低温轧制的流变应力建立了 模型；刘战英f l i 】、胡昌明1 1 2 1 对4 5 钢低温变形抗力进行了研究；s e r a j z a d e h t l 3 1 、 h u a n g 1 4 1 研究了低碳钢的温轧模型，结果与试验值吻合良好。 晶粒尺、j 对流变应力也有影响，吴瑞恒【”1 在假设晶粒尺寸大小与晶粒 畸变程度对材料热变形流变应力的影响规律是相反的，且都是指数关系的 基础上，建立了晶粒尺寸对流变应力的影响规律模型。k a s h y a p 【1 6 i x ? j - 3 1 6 l 不锈钢，晶粒尺寸从3 1 8 6 7g m 范围内，在室温、4 0 0 、7 0 0 进行静 态拉伸变形，研究晶粒尺寸与流变应力的关系。o u d i n t 】利用e s t r i n m e c k i n g 模型，分析了晶粒尺寸对t i i f $ b q 温变形流变应力的影响，得出在低z 值f ， 峰值应力与材料的晶粒尺寸有关系。 1 3 温变形后材料的组织与性能 1 3 1h a l l p e t c h 关系 随着社会的发展，对钢铁材料提出了更高性能要求。要求提高强度的 4 第1 章绪论 同时，改善韧性，随着工艺的进步，能够实现的晶粒尺寸下限越来越低， 屈服强度与晶粒尺寸的关系也在不断完善。 许多会属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合h a l l p e t c h 关系 仉= 印+ k d 。1 总 ( 1 - 8 ) 其中，t y o 为位错在基体金属中运动的总阻力，或称摩擦阻力，决定于晶体 结构和位错密度；为度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数或表示滑移带端 部的应力集中系数；d 为晶粒平均直径。 0 i 罢 i 美 g r a ms i z e d 。 l 1 ，一 - 旷o 0 + k d “，l ，一7 d 。17 2 ( n m 】2 图1 - 2 晶粒尺寸与屈服强度的关系示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h er e l a t i o nb e t w e e ng r a i ns i z ea n dy i e l ds t r e s s 按公式( 1 8 ) 随晶粒细化纳米材料的强度若按d 。1 陀线性增大，应远高 丁普通多晶材料，但实际的纳米材料的强度却远远低于理论计算值， k u m a r 【l 驯认为，如图1 2 所示，在金属或是合金中，当晶粒尺寸大于1 0 0i u n 时，晶粒尺寸与屈服强度符合h a l l p e t c h 关系；当晶粒尺寸为1 0 0 1 0n n l 之 间时，必需修j f 系数k ，才能符合h a l l p e t c h 关系；当晶粒尺寸小于1 0n n 时， 不符合h a l l p e r c h 关系。研究表明 1 9 - 2 2 铁素体晶粒尺寸为几十微米到零点几 微米变化过程中。其显微硬度与屈服强度均符合h a l l p e t c h 关系；h a h n l 2 3 1 认为，当位错移动为变形主要机制时晶粒细化使材料的强度、硬度增加， 当晶界移动为形变的主要机制时晶粒细化使材料的强度、硬度下降，并提 燕山大学工学硕士学位论文 出了下面的关系： 位错移动为主要变形机制 晶界滑移为主要变形机制 h 。= h o + k 4 d ( 1 9 ) ，= h + 竺羔( d 一删，) ( 1 1 0 ) ”d 一 其中，d 为晶粒尺寸；k 、m2 、聊3 为参数：对于某一材料的晶界宽度万可由 m3 求出，m3 = 2 6 1 心茂 z a i c h e n k o 将符合h a l l p e r c h 关系的晶粒尺寸的临界尺寸降低至2 5 n m l 2 4 ；a n z 【2 5 1 就有关材料中尺寸效应对性能，特别是对力学性能的影响进 行了系统的论述，提出了特征尺寸的概念，即在沉淀相或固溶相对位错运 动的影响中，须考虑位错环直径与各微小粒子的间距的关系，当晶粒尺寸 小于位错环直径时，h a l l p e t c h 关系即不能成立。 1 3 2 温变形制备超细晶粒材料 由变形温度和熔点的比，即当r t m 0 9 时，其单轴压缩实验的结果是有效的；当b 第3 章实验结果与分析 7 0 0 。c 压缩的应变速率和室温显微硬度的关系，由图可以看出，在相同温度， 随着应变速率的降低，显微硬度降低，主要是因为应变速率低，畸变能有 足够的时间释放，为再结晶或片状p 的球化提供能量。在5 5 0 和6 5 0 变形，m 组织的室温显微硬度最高于，f + 粒状f e 3 c 组织的最低，m 组织 和f + p 组织在7 0 0 温变形，显微硬度比较接近。 图3 1 8 廊变速率与三种温变形组织温压缩后室温显微硬度的关系 f i g ，3 - 18r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i nr a t ea n dt h ev i c k e r sm i c r o h a r d n e s so f t h r e es t e e l sw a r mc o m p r e s s i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 3 5 2 温压缩后的室温拉伸性能 图3 - 1 9 为m 组织、f + p 组织和f + 粒状f e 3 c 组织，在6 0 0 、6 5 0 、 7 0 0 ，应变速率为0 0 1s 1 和6 5 0 ，应变速率0 0 0 1s 。1 温变形后，室温 拉伸的工程应力应变曲线。由图可以看出，温变形后室温拉伸，都有明显 的屈服。同一变形组织，随着温变形温度的升高或应变速率的降低，抗拉 强度( 吼) 、屈服强度( 仃。) 降低，延伸率( 增加，如图3 2 0 。在各种 变形条件下制得的试样，m 组织的c r b 、盯。始终是比较高的，鹃f + p 和 f h 1 ssgpibqob宦8芍ia 燕山大学工学硕士学位论文 f + 粒状f e 3 c 变形组织的相当。6 0 0 ，占为o ，叭s 。的变形组织，m 组织的 温变形后拉伸的仃。比f + p 组织的高1 6 3 2 ，比f + 粒状f e 3 c 组织的高 5 2 9 5 ：6 5 0 ，占为0 叭s 。的变形组织，m 组织的温变形后拉伸的盯。比 f + p 组织的高2 7 8 0 ，比f + 粒状f e 3 c 组织的高3 5 3 8 ；6 5 0 ，0 为 0 0 0 1s o 的变形组织，m 组织的温变形后拉伸的仃。比f + p 组织的高1 9 ，2 2 ，比f + 粒状f e 3 c 组织的高5 4 6 2 ；7 0 0 i 为o 0 1s 。1 的变形组织， m 组织的温变形后拉伸的盯。比f + p 组织的高3 2 9 ，比f + 粒状f e 3 c 组 织的高2 2 6 8 。 o 曼 一 r 倒 雕 一 工程鹿变( ) 图3 1 9 马氏体组织( m ) ，退火组织( f + p ) 和球化组织( s ) 温压缩后室温拉伸 的t 程应力应变曲线 m ，马氏体组织；f + p ，铁索体+ 珠光体组织；s ，铁素体+ 粒状珠光体组织： 卜角标，应变速率 s - ) ：下角标，温变形温度( ) f i g 3 - 1 9e n g i n e e r i n gs t r e s sa n ds t r u t no f m a r t e n s i t e ( m ) f e r r i t ep l u sp e a r l i t e ( f + p ) a n d s p h e r i c a lm i e r o s t r u c t u r e s ( s ) e l o n g a t i o na tr o o mt e m p e r a t u r e a f t e rw m c o m p r e s s i o np r o c e s s m ，m a r t e n s i t es w l i c t l l r e ；f + 只f e r r l t ep l u sp e a r l i t es t r u c t u r e ；s ，s p h e r i c a ls t r u c t u r e ； s u p e r s c r i p t ，s t r a i nr a t e ；s u b s c r i p t ，c o m p r e s s j o n t e m p e r a t u r e 第3 章实验结果与分析 图3 2 0 马氏体组织( m ) ，退火组织( f + p ) 和球化组织( s ) 温压缩后室温 拉伸强度( o b ，口。) 和塑性( 曲的对比 f i g 3 - 2 0c o m p a r i s o n sa m o n gm a r t e n s i t e ( m ) ，f e r r i t ep l u sp e a r l i t e ( f + p ) a n ds p h e r i c a l ( s ) m i c r o s t r u c t u r e si nt e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na tr o o mt e m p e r a t u r ea f t e rw a h n c o m p r e s s i o np r o c e s s 3 5 3 拉伸断口形貌s e m 观察 图为3 2 1 为m 组织、f + p 组织和f + 粒状f e 3 c 组织在6 5 0 和7 0 0 应变速率为0 o ls 4 变形后和m 组织不变形拉伸的断口形貌，形貌观察均 为断口中心区。图3 2 1 ( a ) 为m 组织在常温拉伸典型的沿晶脆性断裂的 断门，m 组织经过6 5 0 和7 0 0 温变形，由于碳化物的析出和f 的再结 晶，拉伸断口呈韧窝状，因为是单轴静拉伸，微孔在垂直于正应力的平面 上各方向长大倾向相同，韧窝基本呈等轴状。图3 2 1 ( b ) 为m 组织在6 5 0 的变形组织室温拉伸的断口，韧窝比较均匀，韧窝宽度约为1l a m 。图3 2 l ( c ) 为m 组织在7 0 0 变形组织室温拉伸的断口，韧窝大小不均匀，大的 韧窝有2u m 左右，小的1p m 左右。 燕山大学t 学硕士学位论文 图3 2 1 三种温变形组织试样室温拉伸断口s e m 观察 ( a ) m 组织不变形：( b ) m 组织6 5 0 压缩约5 0 ；f c ) m 组织7 0 0 瓜缩约5 0 ；【d ) f + p 组织6 5 0 压缩约5 0 ；f e ) n 粒状f e 3 c 组织6 5 0 压缩约5 0 f i g 3 - 2 1s e mm i c r o g r a p h so f t e n s i l ef r a c t u r es u r f a c eo f t h r o ew a r mc o m p r e s s i o ns t r u c t u r e 第3 章实验结果与分析 图3 2 1 ( d ) 为f + p 组织在6 5 0 变形组织室温拉伸的断口，韧窝有 部分呈椭圆状。图3 2 1 ( e ) 为f + 粒状f e 3 c 组织6 5 0 压缩后室温拉伸断 口，由于其粒状碳化物比较大，大部分韧窝比较大，比较深，大的韧窝直 径4 3 a m ，小韧窝约为1 2 m ，平均韧窝大小为3 6 岬。 3 6 本章小结 本章主要对比研究m 、f + p 和f + 粒状f e 3 c 组织不同温度和应变速率 温压缩的流变曲线，初步探讨m 组织不同温度回火组织的温压缩的流变曲 线，通过t e m 观察、硬度实验、拉伸实验，对比研究温压缩温度和应变速 率对m 和f + p 组织温压缩后微观组织和力学性能的影响。 4 9 燕山大学t 学硕士学位论文 第4 章讨论 4 1m 组织温变形流变行为及其d n - r 软化机制 与完全退火态f + p 组织比，在室温和不太高的温度下，m 组织具有 很高的强度，很难在这些温度下进行变形，因此冷变形的研究主要集中在 完全退火或球化退火组织。在热变形的高温条件下，m 组织迅速转变为铁 素体+ 碳化物或奥氏体组织，丧失了m 的组织特征。至今，有关钢材流变应 力的研究报道多集中在冷热变形领域，对温变形，特别是m 组织温变形的 研究，报道很少。本文发现4 5 钢m 组织温压缩流变曲线的主要特点是加工 软化率大于退火态f + p 组织温压缩流变曲线的加工软化率，导致其流变 应力在某些条件下低于f + p 组织温压缩的流变应力，见图3 2 。导致这种 现象的机制，除位错的动念同复，销毁和动态再结晶外，由m 组织高的晶 界密度和位错密度而引起的晶界滑移、转动和位错扩散性蠕变等加工软化 作用比f + p 组织大得多，因此m 温变形时具有更大的加工软化作用。 除了温度，应变速率，应力状态和化学成分等因素，多晶体材料的流 变行为取决于加工硬化因素与加工软化因素的竞争作用，加工硬化的主要 机制是位错运动和增殖，而加工软化机制为动态回复、再结晶和晶界的滑 移和转动。4 5 钢m 组织在5 5 0 7 0 0 温变形的t e m 观察表明，在温变 形过程中，板条界面的许多区域发生了动态再结晶，这与图3 2 中流变曲线 的软化特点一致。在变形过程中，许多区域的应变先后达到饱和，引发局 部区域的动态再结晶。f + p 组织在6 0 0 以下，通过t e m 观察，没有发现 再结晶晶粒，6 0 0 以上才发生再结晶和粒状碳化物的析出，这与图3 2 中 f + p 组织在6 0 0 以下压缩的流变曲线的特点相一致，f + p 组织温变形 的软化机制主要是动态回复、局部动态再结晶、片状p 的溶解和粒状碳化 物的析出。 板条马氏体组织的位错密度很高，远远高于f + p 组织，根据文献 2 6 14 5 钢m 组织的位错密度约为1 0 m 2 ，而退火态组织中铁素体的位错密度约 5 0 第4 章讨论 为1 0 “m 。2 ，在室温，f + p 组织经过8 0 的变形，位错密度能与m 组织的位 错密度相当【6 5 】。m 组织的界面原子体积分数也很高，以矗= 3 a ( 抖3 口) 估 掣6 6 1 ，式中，占为晶界厚度，约为l 啪【6 7 】，4 5 钢8 4 0 。c 淬火马氏体组织板 条平均间距为3 0 0n l n ，；约为1 ，而f 晶粒尺寸为2 0i x m 的退火态组织， 约为0 0 1 5 ( 1 i 包括p 中f f e 3 c 界面) ，4 5 钢淬火态m 组织的界面原子体 积分数比退火态f + p 组织的界面原子体积约高2 个数量级。高的位错密度和 晶界密度不仅使m 组织处于极高的能量状态，增加动态再结晶的驱动力， 而且显著加速原子扩散过程，使晶界滑动和扩散性蠕变等加工软化过程加 快。因此，m 组织的加工软化率比f + p 组织大，并在一定条件下，其流 变应力低于f + p 。 d e c r e a s i n gg r a ms i z e 图4 - 1 随晶粒尺寸的减小位错运动和晶界滑移对变形过程的贡献示意图1 6 8 f i g 4 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mf o r t h eg r m ns i z ed e p e n d e n c eo f d i s l o c a t i o na c t i v i t y a n dg r a i nb o u n d a r ys l i d i n gc o n t r i b u t i o nt ot h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o r 一般认为，金属材料，随着晶粒尺寸的减小、变形温度的升高或应变 速率的降低，晶界的滑移对塑性变形的贡献逐渐增大，而位错运动的贡献 逐渐减小【6 9 1 ，位错运动使其密度增加是加工硬化的主要原因，而晶界滑移 会导致材料软化。随晶粒尺、- r 减小，位错可动性下降，而晶界滑动性增加， 如图4 1 。马氏体组织中的溶质原子，几乎全部偏聚在位错和板条界处，在 燕山大学t 学硕士学何论文 相同温度变形，随着应变速率的降低，溶质原子的短程扩散有充分的时间。 原了的短程扩散，位错运动，位错与位错和位错与晶界的复杂的相互作用， 导致晶界滑动和转动对塑变的贡献，随着应变速率的降低而增大。k i m l 7 o j 研究c u 的塑性变形，当应变速率为1 0 。s 1 时，晶粒尺寸小于1 6n m ，屈服强 度主要受晶界滑移的影响，当应变速率降为1 0 。s 。1 时，晶粒尺寸小于5 5n r n ， 晶界滑移对流变应力起主要作用。 室温下，晶界的强度显著高于晶粒内部的强度，但随变形温度升高， 晶粒内部的强度和晶界的强度都降低，但晶界强度降低得更快【7 l l ，此外， 板条马氏体中的溶质原子( 主要是碳原子) 几乎全部偏聚在位错和板条界， 增大了位错滑移与晶界滑动和转动的阻力，大量溶质原子的钉扎作用得到 充分的发挥。但随变形温度升高，原子扩散作用增强，溶质原子对位错和 晶界的钉扎作用减弱。碳在m 组织中的扩散系数根据d = d o e x p ( o r7 1 ) 计 算，其中：d o = 2m m 2 s ，扩散激活f l e q = 8 0 1 5k j m o l 。材料不变形，碳在 5 5 0 的扩散系数( d ”o ) 是碳在3 5 0 c 的扩散系数的4 3 倍，6 0 0 时是8 4 倍，6 5 0 为1 5 3 倍，7 0 0 为2 6 0 倍，温度升高，碳的扩散能力显著增强。 由于马氏体组织高的位错密度和晶界密度，原子沿位错管道扩散和晶界扩 散的能力比一般细晶钢铁材料的更强。原子短程扩散，位错运动，位错与 位错和位错与晶界的复杂相互作用，导致晶界滑动和转动对塑变的贡献随 温度升高而显著增大。在足够高的温度，晶界滑动和转动可成为塑变的主 要机制，并导致显著的加工软化。文献【7 2 利用拉伸实验研究了超细晶粒( 2 “m ) ，细晶粒( 7 m ) 和粗晶粒( 8 0i t m ) 低碳钢钢的温变形机制，2 m 晶 粒的铁素体，5 7 3k 拉伸，开始出现晶界滑动，9 7 3k 拉伸变形，晶界滑 动成为主要变形机制，而8 0g m 粗晶材料仍以位错滑移为主要变形机制。而 马氏体组织，无论位错密度，还足界面密度都比铁素体组织高得多，因此 贮存的弹性应变能高，发牛动态回复和动态再结晶的变形温度和应变都比 相应铁素体+ 珠光体组织低。 5 2 第4 章讨论 4 2m 组织温变形细化晶粒机制 近年来国内外的实验研究表明，由于温轧后获得的细晶对晶粒长大的 驱动力相当大，在单相铁素体的场合，其晶粒长大速度很快，因而变成细 小晶粒的铁素体组织存在许多困难。为了克服这些困难，考虑了对m 组织 进行温变形，制备细晶材料。塑性变形再结晶的细化效果与原始组织的晶 粒大小密切相关，在相同条件下，原始组织晶粒越细小，塑性变形再结晶 的晶粒也越细小。温变形前，m 组织每个板条都可以看作一个单晶体，亚 结构为高密度位错，成为板条界面，但其物理本质是晶界，根据k s 关系， 相邻条之间大致平行( 位向差较小) ，其界面以小角度晶界为主。近年来的 研究表明，塑性变形可以使板条界面两侧晶体的取向差变大【7 3 1 ，经过塑性 变形相邻板条之间以大角晶界为主，由于角度的增加，晶粒间的微取向差 别越来越严重，结构偏离平衡相原子的排列越远，畸变能越大，再结晶驱 动力越大，有利丁二再结晶的发生，m 组织是碳在f e 的过饱和固溶体，高 密度位错的板条界和温变形促进了碳沿着板条边界和内部析出，提供了大 量再结晶的形核位置，同样促进了再结晶的发生。板条马氏体组织是非等 轴的，每个束的板条之f n j 几乎是相互平行的小角度晶界。m 组织可认为其 铁素体含碳量过饱和，板条界面和位错被偏聚的溶质原子钉扎。板条马氏 体组织的这些特点，为塑性变形再结晶细化晶粒提供了较理想的高能态原 始组织。因为这种晶格高度畸变的亚微米品粒组织再经塑性变形，不但板 条的厚度可直接减4 , n e 9 t 米尺度，且由于形变的不均匀，板条被形变带分 割，长度变短，高能界面数量增多，取向差增大，形成以大角度为主的晶 界，板条厚度的减小，在变形过程中，碳化物的弥散析出，为铁素体动态 再结晶提供了许多优先形核的场所，一旦这些碳化物及铁素体晶界周围环 境适合，动态再结晶形核将大量发生。应变能提高和大角度晶界的增加， 为这种形变片状纳米晶粒组织的再结晶和等轴化提供了更高密度的形核位 置和驱动力，为等轴纳米晶粒组织的形成提供了比其它平衡或类平衡组织 塑性变形再结晶更为有利的热力学条件和动力学条件。m 组织在温变形过 程中大量的碳原子偏聚于板条边界和位错处，可阻碍晶界的迁移，抑制晶 燕人学上学硕十学位论文 粒的长大。 4 3 生产实际中m 组织温变形的可行性 4 3 1 变形抗力分析 近年来流行的铁素体轧制，主要适合的钢种是低碳钢( l o wc a r b o n ， l c ) 、超低碳钢( u l t r a l o w c a r b o n ，u l c ) 和超低碳无间隙原子钢( i n t e r s t i t i a l f r e es t e e l ，i f ) ，其他钢种铁素体车l s j 将造成轧制力的增加，会提高对设备 刚度、强度和能力的要求，一般不进行铁素体区轧制f 7 4 1 。 马氏体组织在室温和略高于室温条件下( 应变时效温度) 具有很高的 强度，虽然根据m 的组织特点，低碳m 组织通过冷轧退火可以制备纳米晶 粒，考虑现有轧机的轧制力的问题，中、高碳钢的m 组织出于其强度极高、 且比较脆，很难进行变形。变形温度升高，固溶于m 组织中的碳析出，对 位错的钉扎作用减小，可以显著降低m 组织的变形抗力。 萤 蚕 羲 图4 24 5 钢m 、f + p 和f + 粒状f e 3 c 组织，较高戍变速率压缩条什f ， 峰值麻力的推算值( 图3 - 4 ) 与变形温度的关系 f i g 4 - 2c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e c k o np e a ks t r e s s ( f i g 3 - 4 、a n dc o m p r e s s i o n t e m p e r a t u r eo f m ，f + pa n d