高压扭转对20CrM nTi组织和力学性能的影响

李 琦， 李 萍， 薛克敏， 刘 为， 董传勇

(合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥 230009)

0 引 言

高压扭转法(high-pressure torsion，简称HPT)是在变形体高度方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在其横截面上施加一扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的塑性变形工艺[1]。因其可以制备出块体纳米材料而备受国内外研究者的关注，近年来，针对HPT开展了大量的研究，并成功地制备出A l、Cu、Mg、Ni、Ti等多种致密金属及其合金的块体超细晶材料[2-11]。值得注意的是，大部分的微观组织观察和性能测试主要针对的是试样边缘，对于沿试样径向各个不同位置的微观组织研究较少。

20CrM nTi合金渗碳钢常用于制造受中等动载荷的受磨零件，如变速齿轮、齿轮轴、十字销头和花键轴套等，在汽车工业生产中已被广泛采用[12]。有效细化晶粒尺寸不仅可以提高金属的强度、耐磨性及耐腐蚀性，还可获得具有低温和高应变速率的超塑性，这将大大提高齿轮等零件的使用性能。本文针对20CrM nTi材料，利用光学显微镜和显微维氏硬度计，研究了压力和扭转圈数对试样子午面的显微组织及显微硬度的影响。

1 实验材料的制备与实验方法

实验材料为六安齿轮厂提供的轧制20CrM nTi棒材，尺寸为Φ50×105mm，其主要成分见表1所列。在850℃下保温50 min进行退火处理，然后通过线切割加工出5个Φ29×3 mm试样备用。

表1 实验用20CrMn Ti的主要成分

实验过程中，上模下行，对试样施加一定的压力，然后下模开始旋转，通过模具与试样之间的主动摩擦，使试样产生变形，高压扭转工艺过程示意图如图1所示。

实验温度为室温，下模扭转速度约为1 r/min，共进行了2组实验:第1组实验过程中下模扭转圈数为1圈，上模的压力分别为175、350、525 kN，研究不同压力对高压扭转过程的影响;第2组实验过程中上模的压力为350 kN，下模扭转圈数分别为1、2、4圈，研究不同扭转圈数对高压扭转过程的影响。

用线切割机沿试样子午线将试样切割成4块，取其中2块观察试样子午面的显微组织和测量其显微硬度，观察位置分别为试样中心、距中心5mm、10mm、15mm。切割后的样品先在金相预磨机上磨制，然后在400～1 000#金相砂纸上依次磨制，在抛光机上抛光，最后用4%硝酸酒精溶液腐蚀。金相观察所用的仪器为4XB-TV倒置金相显微镜，显微硬度测量所用仪器为MH-3显微硬度计。

图1 高压扭转工艺过程示意图

2 实验结果及理论分析

2.1 显微组织形貌

试样退火后子午面的显微组织如图2所示，从图2可知，黑色珠光体及白色铁素体呈明显带状偏析，带状组织长度方向与试样轴向平行，带状组织由许多近似等轴状的晶粒组成，铁素体晶粒尺寸约为19.90μm。

图2 退火试样子午面的显微组织

下模扭转1圈，压力为525 kN条件下试样子午面上的显微组织如图3所示。试样中心处的显微组织沿试样径向呈带状分布，带状组织内部的晶界模糊;距中心5 mm时，珠光体沿试样径向呈针状或细带状分布在铁素体基体上，晶界难以分辨;距中心10 mm、15 mm时，片状珠光体呈网状分布在铁素体基体上，晶界依稀可见，显然距中心5mm处显微组织的变化程度更大。

下模扭转1圈，不同压力条件下试样子午面上距中心5 mm处的显微组织如图4所示。从图4可看出，压力为175 kN时，铁素体团簇呈块状分布，片状珠光体呈网状分布，铁素体晶粒尺寸约为16.53μm;压力增大到350 kN时，块状铁素体团簇的尺寸有所减小，铁素体晶粒尺寸约为13.88μm，片状珠光体仍然呈网状分布;进一步增大压力，珠光体沿试样径向呈针状或细带状分布在铁素体基体上，晶界难以分辨。

压力350 kN，下模扭转不同圈数条件下试样子午面上距中心5mm处的显微组织如图5所示。从图5可看出，扭转2圈时，块状铁素体团簇沿试样径向伸长，尺寸有所减小，片状珠光体仍然呈网状分布，晶界模糊;进一步增大扭转圈数，珠光体沿试样径向呈针状或细带状分布在铁素体基体上，晶界难以分辨。

图3 下模扭转1圈，压力为525 kN条件下试样子午面上的显微组织

图4 不同压力条件试样子午面的显微组织

图5 不同扭转圈数下试样子午面的显微组织

2.2 显微硬度

下模扭转1圈，高径比为0.1，不同压力条件下试样子午面上的显微硬度分布如图6所示。由图6可知，初始退火态试样的平均显微硬度为146×9.8 M Pa;当压力为175 kN时，中心处的显微硬度最低，距中心5～10 mm处的显微硬度最高，接近200×9.8 MPa;增大压力，中心处及距中心15mm处的显微硬度明显升高，显微硬度沿试样径向的分布较均匀;进一步增大压力，距中心5mm处的显微硬度最高，为304×9.8 M Pa，距中心15 mm处的显微硬度最小。

图6 不同压力下试样子午面的显微硬度

压力350 kN，高径比为0.1，下模扭转不同圈数条件下试样子午面上显微硬度分布如图7所示。由图7可看出，初始退火态试样的平均显微硬度为146×9.8 MPa;扭转圈数为1圈时，显微硬度沿试样径向的分布较均匀，约为200×9.8 MPa，增大扭转圈数，距中心5 mm处出现显微硬度的最大值，为268×9.8 M Pa，中心处的显微硬度最低，为226×9.8 MPa;进一步增大扭转圈数至4圈，距中心5 mm处的显微硬度仍然最高，为324×9.8 MPa，距中心15 mm处的显微硬度值最低，为262×9.8MPa。

图7 不同扭转圈数下试样子午面的显微硬度

2.3 实验结果分析

在下模扭转圈数为1圈时，上模压力从175 kN增大到350 kN，距中心5mm处的显微组织变化并不明显，显微硬度值仅上升了2×9.8 MPa;但当压力增大到525 kN时，呈网状分布的珠光体组织明显被细化，且沿试样径向被拉长，显微硬度上升了103×9.8MPa。这说明在高压扭转过程中，随着压力的提高，显微组织及显微硬度的变化并不是均匀的，当压力增大到一定程度，试样会产生剧烈的塑性变形，使试样内部的组织变得细小、均匀。

由图4c和图5c可发现，这2张显微组织照片十分相似，图4c为压力525 kN，下模扭转1圈后的显微组织，图5c为压力350 kN，下模扭转4圈后的显微组织。由此可知，增大压力和增大扭转圈数对增大试样的变形程度是等效的，即在较小的压力下，只要扭转足够多的圈数，就可以对试样施加足够大的塑性变形。

在高压扭转过程中，最初模具与试样之间近似完全粘着状态，因为试样边缘处的角应变最大，因此变形首先发生在试样边缘。随着扭转圈数的增多，由于试样上的轴向应力沿径向逐渐减小，且试样边缘处沟槽较稀疏而试样中心处沟槽较密集，如图8所示，因此试样边缘与模具之间产生较大的相对滑动，而试样中心处的金属与模具之间的相对滑动较小，因此在距中心5 mm处出现了显微硬度的最大值。

滑移是位错运动的主要方式，促使刃型位错滑移的切应力方向与其位错线垂直，促使螺型位错滑移的切应力方向与其位错线平行。在高压扭转过程中，试样既受到轴向正应力的作用，又受到周向切应力的作用，晶体内部尽可能多的位错产生了滑移。Fe为高堆垛层错能的金属，在变形剧烈的情况下，由于位错增殖和易于交滑移，可形成明显的位错胞状结构。在位错胞的内部，位错密度很低，大量的位错都缠结在位错胞壁。大量位错胞的产生，使得晶粒被分割成多个小块，位错胞壁与亚晶界都属于小角度晶界，可以猜想，在大塑性变形的条件下，通过位错的攀移、反应，位错胞很可能转变为亚晶，从而细化晶粒。

图8 高压扭转下模

3 结 论

在常温下，采用高压扭转法对退火态20CrM nTi材料进行了处理，研究了不同压力和不同扭转圈数对材料显微组织和显微硬度的影响;随着压力和扭转圈数的增大，试样子午面的显微组织趋于细小均匀，珠光体沿试样径向呈针状或细带状分布在铁素体基体上，显微硬度显著升高;高压扭转后，试样子午面上距中心5 mm处的组织最为细小，显微硬度值最高;高压扭转过程中，增大压力和增大扭转圈数对增大试样的变形程度，促使晶粒细化是等效的。

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