30Cr2Ni4MoV钢镦粗过程中的组织演变

刘志龙 刘建生 党淑娥 梁晓捷 赵志磊

(1.太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024;2.太原重工股份有限公司锻压分公司，山西030024)

大锻件是综合材料、冶铸、锻造、热处理工艺等为一体的高技术产品，在热加工过程中发生着复杂的组织演变。而大型锻造一般分为制坯和成形锻造两个阶段。制坯工艺的主要目的是在压实钢锭的孔隙型铸态缺陷的同时，将粗大的铸态柱状晶粒碎化并转变为细小的锻态等轴晶粒。在以镦粗、拔长等基本工艺组成的制坯过程中，由于热力学因素、变形及原始组织的不均匀性，必然造成制坯后锻件组织的不均匀，从而对后期的成型锻造的组织控制产生直接影响。由此可见研究钢锭铸态粗晶组织在加热均匀化后制坯镦粗过程的演变机制及规律的重要性。文章采用物理模拟的方法研究了30Cr2Ni4MoV临界转子钢经高温扩散后在高温状态下制坯镦粗过程中的组织演变，力求弄清铸态组织向锻态组织转变过程中粗大晶粒的细化机制，并揭示晶粒大小、混晶程度与变形条件的关系。

1 试验材料及方法

试验以30Cr2Ni4MoV低压转子锻件钢锭冒口材料作为研究对象，从原材料上取样将其放入KBF1400箱式电阻炉内，模拟大锻件加热速度连续加热到1 250℃，保温4 h后水淬处理，然后按图1加工试样。最后在热模拟试验机上进行镦粗物理模拟试验。模拟实验工艺参数见表1。热压缩变形后，试样立即进行淬火处理，以保持热变形结束时奥氏体组织的边界。将压缩后的试样纵向剖开，经研磨抛光后用过饱和苦味酸、十二烷基笨磺酸钠及蒸馏水按一定比例配制成溶液，在40℃的水浴中浸蚀，侵蚀后用酒精擦拭清洗再吹干，用Zaiss Imager金相显微镜观察试样心部，以便观察材料制坯镦粗过程中组织的演变。

表1 实验工艺参数Table 1 The parameters of experiment process

图1 试样加工尺寸Figure 1 The manufacturing dimension of samples

图2 未变形的金相组织Figure 2 Undeformed microstructure

图3 应力应变曲线Figure 3 The curves of stress and strain

2 30Cr2Ni4MoV临界转子钢镦粗过程及分析

2.1 镦粗过程中再结晶组织与变形温度和变形量的关系

为对比变形前后组织的变化，在热模拟机上对试样按实验要求加热保温2 min，水淬抛光腐蚀。变形前的晶粒状态见图2。由图2可见，变形前的晶粒多呈六边形且晶界平直，但晶粒大小不均匀。

30Cr2Ni4MoV钢在1 100℃与1 200℃时，应变速率为0.05 s-1，变形量为50%(真应变为0.69)。应力应变曲线见图3。不同温度下随变形量的增加，显微维组织的演变分别见图4与图5。

由图3可知，当形变量与应变速率一定时，流变应力、峰值应力和峰值应变都随形变温度的升高而降低。其原因是随形变温度的升高，热激活作用随之加强，从而使得位错运动增强、临界切应力降低，所以金属材料变形时的变形抗力也逐渐降低。但峰值应变较峰值应力、流变应力的下降速度小得多。由此可知，温度对应力应变曲线的影响程度较应变对其的影响程度大得多。综合来看，金属材料在较高的温度变形时，应力应变的峰值应力就愈低，且动态再结晶所需的临界应变及完全动态再结晶所需的变形量也愈低。

图4 1 100℃时不同变形量下的金相组织Figure 4 Microstructure under different deformation amounts at 1 100℃

图5 1 200℃时不同变形量下的金相组织Figure 5 Microstructure under different deformation amounts at 1 200℃

对比图2、图4与图5可见，在不同的温度下随变形量的增加，在动态再结晶发生前，晶粒由六边形变为四边形，较平直的晶界逐渐呈锯齿状。随变形量的继续增大，带有锯齿状的晶界成为再结晶的主要形核位置[1、2]，在奥氏体晶界处出现动态再结晶晶粒。随着变形量逐渐增大，再结晶晶粒个数明显增多。另外，在相同变形量的条件下，再结晶晶粒的比例随变形温度的升高明显增多，且动态再结晶晶粒尺寸有所增大。具体原因分析如下：

变形温度与变形量对再结晶百分数的影响可以根据经典的Johnson-Mehl方程[3]得出：

(1)

式中，X为再结晶的体积分数；N为形核率；G为晶粒生长速度；t为时间。由公式(1)可知，X随着N和G的增加而增加。关于晶粒生长速度G则有以下公式：

G=BEs/λ

(2)

式中，Es为每克分子的储存能；B为晶界的迁移速率； 为常数[4]。

由公式(2)可知)，Es随变形量的增加而增大，故G也随着变形量的增加而增大，最终导致X的增大。这就是在同一温度下再结晶程度随变形量的增加而增大的原因。此外，在同一温度下，再结晶的形核速率N随变形量的增加而增大，并且N的增长速率要较G的增长速率大，二者综合的结果导致形核数目增加，使再结晶晶粒细化。

温度对再结晶的影响也是由温度对N和G的影响而决定的，具体可根据Arrhenius[5]方程获得：

G=G0exp(-Qg/RT)

(3)

式中，Qg为再结晶晶粒生长的激活能。

N=N0exp(-Qn/RT)

(4)

式中，Qn为再结晶形核的激活能。

当变形量大于10%以后，Qn与Qg大致相等。由此可见，再结晶晶粒的形核与长大都属于热激活过程，随着温度的升高，G与N都随之增大。这就是随温度升高，开始再结晶的临界变形量将减小，完全再结晶的变形量也表现出同样的趋势的原因。

变形温度对再结晶组织的影响，变形温度的变化会改变材料形变后的存储能，因而会影响N与G的变化。变形温度升高使得N/G的值降低，因此再结晶的晶粒粗化。

2.2 镦粗过程中混晶的演变

30Cr2Ni4MoV钢在不同的变形温度下，给予不同的变形量。经定量金相分析，可分别获得两种变形温度下变形量对混晶的影响曲线，见图6与图7。

图6 1 100℃时变形量对混晶的影响Figure 6 The effect of deformation amount on the mixed grains at 1 100℃

图7 1 200℃时变形量对混晶的影响Figure 7 The effect of deformation amount on the mixed grains at 1 200℃

结合镦粗过程中再结晶组织与变形温度和变形量的关系及应力应变曲线可知，1 100℃时，当变形量达到15%时，原始组织才会发生动态再结晶，故变形量在10%以下，混晶度无变化；变形量为15%时动态再结晶开始发生，但再结晶百分数较小，所以对混晶度影响较弱，只是面积有所增加；变形量在30%之前时，随变形量的增加，混晶度及其面积百分比都随之增加，30%时混晶度达到最大，其值为4.5，面积百分比大于45%；变形量大于30%时，随变形量的增加，混晶度及其面积百分比又随之减小。1200℃时，当变形量达到10%时，原始组织开始发生动态再结晶，故变混晶面积百分比增大；变形量为20%时混晶度达到最大，其值为4.5，面积百分比为45%；变形量为30%时，混晶度虽然减小，但是其占有面积较20%时略显增大。此后，随着变形的继续增加，动态再结晶百分比进一步增大，故混晶度及其占有面积都随变形量的增加而减小。其原因是：30%的变形量对应的真应变为0.36，将此值分别对应不同温度的应力应变曲线可知，真应变0.36在曲线中的位置接近完全再结晶所需的变形量，而在1 200℃时真应变0.36较完全再结晶所需变形更接近。由此可知，变形量在部分再结晶区域时，随变形量的增加，混晶及其占有面积都随之增大。当变形量大于完全再结晶所需临界变形量时，随变形量的增加，混晶及其占有面积都随之减小。此外，比较图6与图7发现，完全再结晶时，在相同的变形量下，混晶度及其占有面积随温度的升高而减小。

3 结论

(1) 在不同的温度下随变形量的增加，在动态再结晶发生前，晶粒由六边形逐步向四边形过度，较平直的晶界逐渐呈锯齿状。随变形量的继续增大，带有锯齿状的晶界成为再结晶的主要形核位置；变形温度相同时，随变形量的增加，动态再结晶的比例增加。变形量相同时，再结晶的临界变形量与完全再结晶所需的变形量随温度的升高而减小。1 200℃时再结晶的临界变形量为10%，1 100℃时再结晶的临界变形量为15%。

(2) 变形量在部分再结晶区域时，随变形量的增加，混晶及其占有面积都随之增大。当变形量大于完全再结晶所需临界变形量时，随变形量的增加，混晶及其占有面积都随之减小。完全再结晶时，在相同的变形量下，混晶度及其占有面积随温度的升高而减小。

[1] F.B.Picking. Phvsical Metallurgy and the Design of Steels[M]. England London:Applied Science Publishers,1978.

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