40crnimoa钢的超塑变形中的再结晶

40crnimoa钢的超塑变形中的再结晶

0等轴晶粒超塑变形材料的动态再结晶形核通过实现高组织不仅需要材料组织的薄等轴晶体，还需要晶体边界为大角晶界。对于非等轴、小角晶界占很大比例的组织(如冷变形组织)来说,需在变形初期转变为等轴晶粒组织,其机制为超塑变形过程中的动态再结晶,驱动力为形变所产生的储存能。已知静态再结晶的形核机制有三种,即亚晶界凸出形核、亚晶合并形核和亚晶界迁移形核。目前,对超塑变形中的形变诱发再结晶机制的研究尚少,本文选用40CrNiMoA钢对其进行初步研究。1晶圆级拉伸试验选用直径20mm的40CrNiMoA钢棒材,经改锻后冷轧成2.5mm板材,最后加工成厚度为2mm的拉伸试样,标距尺寸为10×6mm。所有试样均经两次调质(860℃淬火,600℃回火)和一次亚温淬火(765℃)及高温回火(600℃)处理,其中奥氏体晶粒尺寸细化至6μm。利用日本岛津10吨电子拉伸机进行超塑拉伸试验。在温度690℃、应变速率为4.17×10-4s-1条件下分别拉伸0%、10%、30%、50%和100%的变形量,拉伸后试样迅速淬入水中。用日本S-550扫描电镜观察显微组织,用H-800透射电镜进行位错组态观察,各种衍射衬象均在低指数双束条件下获得。用日本理学电机株式会社D/max-γBX衍射仪测定不同超塑变形量0%、30%和100%的位错密度。2试验结果与分析2.1显微组织的变化40CrNiMoA钢在690℃保温10分钟后进行超塑拉伸,其流变应力、延伸率和应变速率的关系如图1所示。可见在4.17×10-4s-1应变速率(箭头所指处)下获得最大延伸率为520%,流变应力为41.69MPa,m=0.42。在超塑变形初期,其显微组织的变化如图2所示。原始非等轴的铁素体逐渐碎化,当变形量达80～100%时,晶粒趋于等轴化,这就为下一阶段的超塑变形提供了微细的等轴晶粒组织。2.2衍射强度半峰宽、线条真实宽度和位错密度在690℃以4.17×10-4s-1应变速率条件下经0%、30%和100%变形后测得的衍射强度半峰宽(B0)、线条真实宽度(β)和位错密度(ρ)见表1。在计算衍射线条真实宽度时,以670℃回火21小时试样的衍射强度半峰宽作为工具宽度(b0)。从表中数据可以看出,在超塑流变初期,随着变形量的升高,位错密度降低,也即位错逐渐湮灭。2.3不同变形量小角度晶界的变化40CrNiMoA钢在690℃保温10分钟水冷后的晶内位错组态见图3。此时晶内位错排列齐正,说明已发生了一部分静态回复。定性观察表明,小角晶界约占15%。以4.17×10-4s-1应变速率拉伸变形至不同变形量后,晶内位错组态发生了很大变化(图4)。图4a、b是正在形成的小角度亚晶界,图4c是已经形成的小角度亚晶界。图4d显示出小角度亚晶界正在吸收晶内位错,使领先位错发生分解,一部分变成晶界位错,另一部分变成新的晶内位错。图4e、f是取向差较大的小角度晶界。小角度晶界吸收晶内位错的结果,导致其取向差增大。对不同变形量的小角度晶界所占比例的定性观察表明,随变形量的增大,第3、4期40CrNiMoA钢超塑流变初期形变诱发连续再结晶过程的研究第21页小角度晶界所占比例逐渐减少,且亚晶界平均取向差逐渐增大。应当指出的是,在超塑流变初期所进行的电镜观察,均未发现静态再结晶的晶核形成方式。3大角度晶界的变化通过对40CrNiMoA钢超塑流变初期的SEM、TEM和位错密度的测定结果表明,原始非等轴铁素体晶粒逐渐碎化和等轴化,位错密度降低。这意味着此时的位错产生速度低于位错的消失速度,即表明发生了动态回复和动态再结晶。晶粒等轴化程度增高,大角晶界所占比例增加,将为超塑变形的主要机制——晶界滑动提供了条件。小角度晶界所占比例随变形量的增加而减小,说明正在逐步转化为大角度晶界,也即发生了形变诱发连续再结晶过程。图5为上述变化的示意图。已知对称倾转晶界的倾转角式中b为柏氏矢量,L为晶界长度,D为晶界位错间距,n为位错数目。根据式(1),随着小角晶界不断地吸收晶内位错,晶界上位错数目增多,θ即随之增大。当θ大于15°时,晶界就转变为大角度晶界了。下面就亚晶界与晶界位错之间的作用力来对这一过程进行分析。假设回复过程中通过多边化而形成的小角度亚晶界为一半无限晶界,如图6所示,则在亚晶界周围的应力场分布为:这一应力场的存在必将对晶界附近的晶格位错产生一作用力。设晶格位错的柏氏矢量为:其中根据式(7)可知,图6所示的小角度亚晶界周围的应力场将对第Ⅰ、Ⅳ象限的正刃型位错存在一吸引力。如果晶内有这样的位错运动到亚晶界附近,就会被吸收,从而导致晶界上位错数目增多,θ角增大。而根据式(8)可知,图6所示的小角度亚晶界周围的应力场对所有正刃型位错都施加一攀移力,这一攀移力就会使处于第Ⅱ象限的正刃型位错攀移到第Ⅰ象限,从而被亚晶界吸收,使θ角增大。因此,小角晶界不断吸收晶内位错变成大角度晶界,从而导致超塑变形过程中的连续再结晶。4晶界和小角度晶界的变化(1)40CrNiMoA钢在超塑变形初期原