Fe-18Mn-10Al-0.6C的热变形行为

李 轩，宋仁伯，康 泰

（北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）

Fe-18Mn-10Al-0.6C的热变形行为

李 轩，宋仁伯，康 泰

（北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）

热变形行为的研究对材料动态再结晶发生的判断以及热加工工艺参数的制定具有很重要的理论参考价值。对Fe-Mn-Al-C钢进行单道次压缩变形实验，利用Gleeble-3500热模拟试验机完成，变形温度为1 123～1 373 K，应变速率为0.01，0.1，1，10 s-1，测定真应力-真应变曲线，结合变形组织分析不同变形条件对动态再结晶的影响，建立热变形本构方程。结果表明：变形温度越高，应变速率越低，越有利于动态再结晶的进行；实验用钢的热变形激活能和表观应力指数分别为343.351 kJ/mol和4.683，本构方程为

Fe-Mn-Al-C钢；热变形行为；动态再结晶；本构方程

应对日益严重的资源紧缺与环境污染，现代汽车的发展趋势是在安全舒适的基础上更追求轻量化、节能减排［1］。开发出轻质高强钢用于车身制造成为最有潜力的设计思路。

Fe-Mn-Al-C钢拥有优良的机械性能、较低的密度和较高的碰撞吸收能，被认为是第三代汽车用先进高强钢的典型钢种［2］。目前国内外关于该钢种的研究颇多涉及成分设计、组织性能和变形机制等方面，而对热变形行为以及动态再结晶规律研究较少。Zhao等研究了退回温度对奥氏体、铁素体以及κ-碳化物的分布、尺寸、体积分数等的影响［3］；Li等研究了奥氏体基Fe-27Mn-11.5Al-0.95C钢的热变形和动态再结晶行为，指出较高的的温度和应变速率均能促进奥氏体和铁素体的再结晶［4］。蔡等将一种新型中锰TRIP钢在700～800℃固溶处理后，获得了接近1 000 MPa的抗拉强度和30%以上的断后延伸率，且强塑积大于30 GPa·%［5］。

本文针对一种Fe-Mn-Al-C钢进行了单道次压缩热模拟实验，得到了高温变形过程中的流变应力曲线，分析了热变形条件对动态再结晶的影响并建立了本构方程，为优化热加工工艺参数提供了理论依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验材料为实验室自制的一种Fe-Mn-Al-C钢，主要化学成分为：w(C)=0.65%，w(Mn)= 18.1%，w(Al)=9.6%，w(Fe)=余量。在锻坯上加工出Φ8 mm×15 mm的圆柱状试样进行热压缩实验。

1.2 实验方法

在Gleeble-3500热模拟试验机上进行热压缩试验。首先以5℃/s加热速度将试样加热到1202℃，保温180 s后，再以5℃/s的冷速冷却到变形温度，保温15 s，组织均匀化后进行变形。变形温度设置为850，900，950，1 000，1 050，1 100℃；应变速率分别为0.01，0.1，1，10 s-1；真应变达到0.9时变形结束，试样立即水淬处理，然后沿压缩轴线方向切开，后期进行金相组织观察。

2 实验结果与讨论

2.1 真应力-真应变曲线

图1为实验用钢不同实验条件下的高温压缩真应力-应变曲线。如图1所示，在不同实验条件下，试验用钢的流变曲线均在变形开始阶段迅速上升，发生显著的加工硬化；到达某一临界应变量后，流变应力达到峰值；随后，变形量的增加伴随着流变应力下降，最终逐渐趋于平缓［6］。最终稳态塑性变形的出现，是因为材料在热变形过程中产生的加工硬化与材料软化产生了相互平衡的效果，而这种软化正是组织发生动态回复与动态再结晶引起。值得注意的是，大多数流变应力应变曲线上可以观察到明显的“类屈服平台”效应［7］。即在变形初期，随着应变量的增加，流变应力保持不变，

图1 实验用钢不同热变形条件下的流变曲线Fig.1 Flow strain curves of experimental steels under different thermal deformation conditions

之后逐渐上升至峰值。对奥氏体+铁素体双相不锈钢的研究表明，类屈服平台的出现，可能与变形初期铁素体与奥氏体的应变分配不协调有关，铁素体层错能较高，且在变形初期承担更大的变形，

因此发生动态回复，带来流变应力的降低，但其动态回复对流变应力的影响并不明显。而对于奥氏体而言，其大面积的动态再结晶引起流变应力大幅下降。

2.2 热变形条件对动态再结晶的影响

图2 不同变形条件下热压缩后的组织形貌Fig.2 Microstructure and morphology of hot compressed under different deformation conditions

2.2.1 变形温度 图2中的a～c是不同温度下热压缩后的组织形貌。可以看到，900℃热压缩后出现混晶组织，沿着两相界面和奥氏体晶界处萌生大量细小的奥氏体晶粒，并逐渐长大，但有部分晶粒未发生再结晶；950℃热压缩后仍出现少量的混晶组织；1 000℃及以上热压缩后，奥氏体发生完全再结晶，同时晶粒长大明显。随着变形温度的升高，奥氏体的再结晶程度越来越大，且再结晶后晶粒的尺寸越来越大。

2.2.2 应变速率 图2中的c～d是不同应变速率下热压缩后的组织形貌。对比可见，低应变速率时带状铁素体明显减少，奥氏体晶粒更细小更均匀，说明动态结晶进行的更充分。

2.3 本构方程

通常可以用经典的双曲正弦公式来描述金属在高温变形过程中的应力与应变速率、温度之间的关系［8］

对式（1）进行变形，两边取对数，得到

由真应力-真应变曲线数据可得峰值应力，如表1所示。

分别绘制不同温度的 lnσp-ln曲线和σp-ln曲线如图3和图4所示。峰值应力与应变速率和温度之间的关系如图5和6所示。根据对数据的线性回归分析结果，可得：α=0.006 007，n=4.683 0，Q=343.351 kJ/mol，A=3.926 2×1013。

表1 不同实验条件下的峰值应力σp，MPaTab.1 Peak stress data table under different experimental conditions，MPa

图3 不同温度的lnσp-ln关系图Fig.3 Relationship betweenlnσpandln

图4 不同温度的σp-ln关系图Fig.4 Relationship betweenσpandln

图5 不同温度的ln-ln[sinh(ασp)]关系图Fig.5 Relationship betweenlnandln[sinh(ασp)]

由此，在温度850～1 100℃，实验用钢的热变形方程可定量描述为

3 结论

图6 不同应变速率的ln[sinh(ασp)]-1/T关系图Fig.6 Relationship betweenln[sinh(ασp)]and1/T

（1）随着应变量的增加，实验用钢的热变形时的流变应力-应变曲线可以分为五个阶段，即加工硬化阶段，“类屈服平台”平稳软化阶段，加工硬化阶段，动态再结晶软化阶段和稳态热压缩阶段。

（2）随着变形温度的升高和应变速率的降低，峰值应力减小，动态再结晶更容易发生。部分流变应力曲线上观察到“类屈服平台”效应，与变形初期铁素体与奥氏体的应变分配不协调有关。

（3）通过对实验数据进行线性拟合回归分析，得出实验用钢在850～1 100℃范围内的热变形激活能和表观应力指数分别为343.351 kJ/mol和4.683，热变形方程为

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Research on hot deformation behavior of Fe-10Mn-8Al-0.6C steel

LI Xuan，SONGRenbo，KANG Tai

（School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

In this paper，the hot deformation behavior of Fe-10Mn-8Al-0.6C steel has been investigated through single-pass compression experiments using Gleeble-3500 thermal simulated test machine at the temperature ranging from 1 123 K to 1 373 K at an interval of 50 K and strain rate of 0.01，0.1，1，10 s-1respectively.True stress-strain curve，dynamic recrystallization behavior under different deformation conditions and deformation constitutive equation have been determined and analysed.The results show that the dynamic recrystallization is promoted by the increase of temperature and the decrease of strain rate.The apparent activation energy(Q)and the apparent stress exponent(n)have been calculated after fitting analysis of experimental data to be about 343.351 kJ/mol and 4.683.The deformation constitutive equation of experimental steel could be expressed by

Fe-Mn-Al-C steel；hot deformation；dynamic recrystallization；constitutive equation

September7，2016）

TF777.7

A

1674-1048（2017）01-0048-05

10.13988/j.ustl.2017.01.010

2016-09-07。

李轩（1994—），男，内蒙古赤峰人。

宋仁伯（1970—），男，辽宁鞍山人，教授。