Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢热加工性能研究

崔海涛，董旭光，邵忠财

（沈阳理工大学，沈阳 110159）

随着汽车工业的迅速发展，先进高强韧性汽车用钢成为汽车轻量化的重要发展方向[1-3]。由于Fe-Mn-Si-Al系高锰钢同时具备较高的强度和塑性，在变形过程中产生形变诱导孪晶与形变诱导马氏体，使得Fe-Mn-Si-Al系高锰钢具有较高的吸收能力，在强度增加的同时塑性也得到提高，是一种新型汽车用钢[4-6]。由于 Mn，Si，Al等元素含量较高，使得Fe-Mn-Si-Al系高锰钢的热塑性较差[7]，热连轧时容易产生边裂。另外，由于Fe-Mn-Si-Al系高锰钢的加工硬化率较大，对工业轧机要求较高。因此，在工业生产中需要首先解决Fe-Mn-Si-Al系高锰钢的成形问题。

要实现Fe-Mn-Si-Al系高锰钢的大规模工业化生产，需要对其热变形行为进行深入研究，明确加工温度、应变速率等关键因素对其流变行为的影响规律。文中就典型成分的高锰钢进行了不同条件下的热模拟单道次压缩实验，分析了实验钢在高温变形过程中的热变形行为，观察了显微组织变化规律。利用热模拟实验得到不同变形温度和速率下的流变应力，建立该实验钢的变形抗力模型，对实际生产过程中的工艺制定及自动控制具有重要指导意义。

1 实验材料和方法

实验钢采用真空感应炉熔炼，通过化学成分检测，各成分的质量分数见表1。实验钢铸锭制备完成后开坯，并轧制成厚 10 mm的板材。在轧后的板材上切取热模拟试样，并在MMS-300型试验机上进行单道次热模拟压缩实验。试样尺寸为φ8 mm×15 mm，制定的热模拟变形温度区间为 850～1050 ℃，间隔50 ℃取一个实验温度，变形速率ε˙分别为0.01，0.10，1.00，10.0 s-1，具体实验工艺为：将试样以 20 ℃/s加热至1200 ℃；保温3 min，确保试样完全奥氏体化；以 10 ℃/s的冷却速度，将试样冷却至既定变形温度后并保温20 s；以既定变形速率将试样压缩至真应变0.6；变形结束后，为保留高温组织，立即对试样进行喷水冷却。

完成热模拟后的试样沿纵截面切取并制备金相试样，然后再在光学显微镜下观察其显微组织。

表1 Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢的化学成分%

2 实验结果与讨论

2.1 真应力-真应变曲线分析

图 1为实验钢在不同温度条件下，应变速率为ε˙=0.01 s-1和ε˙=1.00 s-1时的流变应力曲线。可以看出，当应变速率较低时（ε˙=0.01 s-1），流变应力随应变的增加先迅速增加到最大值而后逐渐下降，在变形过程中发生动态再结晶是造成这一现象的原因。当应变速率较高（ε˙=1.00 s-1）时，流变应力在达到峰值后基本不再发生变化，说明变形过程中实验钢发生了动态回复。

图2为不同应变速率下实验钢在900 ℃时的流变曲线。由图2可以看出，变形温度一定，随着变形速率的增加，实验钢的峰值应力和峰值应变也随之增加。在应变速率比较低时，试样发生了明显的动态再结晶，流变应力曲线在ε˙=0.01 s-1及ε˙=0.10 s-1时为动态再结晶型。随着变形速率的增加，峰值应力和应变提高，动态再结晶发生困难。当ε˙=1.00 s-1及ε˙=10.0 s-1时，流变应力曲线为动态回复型。这是因为变形速率越大，加工硬化现象越显著。以上结果说明应变速率是影响热加工性能的主要因素。

图1 实验钢在不同温度下的流变应力曲线

图2 实验钢在td =900 ℃时不同应变速率下的流变应力曲线

2.2 微观组织的观察

图3为ε˙=0.01 s-1的应变速率时，实验钢在不同变形温度下的金相组织。可以看出，当变形温度td=850 ℃时，组织内有少量再结晶晶粒；当td=900 ℃时，再结晶晶粒有所增多；当td=950 ℃时，产生了大量的再结晶晶粒；当变形温度继续升高到 1000 ℃和1050 ℃时，显微组织全部为再结晶晶粒。可见，变形温度越高，动态再结晶现象越明显。

图3 实验钢在ε˙=0.01 s-1时不同变形温度下的金相组织

Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢在不同变形温度和不同应变速率下的金相组织如图 4所示。由实验钢在td=850 ℃, ε˙=10 s-1时的显微组织（图 4a）观察可知，此时未发生动态再结晶；在 td=1000 ℃, ε˙=0.1 s-1时（图4b），晶界上有少量再结晶，这与之前的流变曲线呈现的结果一致。

图4 Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢在不同变形温度和不同应变速率下的金相组织

2.3 热加工方程的建立

流变应力受应变速率和变形温度的影响，在高温变形时通常采用式（1）描述三者之间的关系[8-9]：

式中：A为常数；Q为材料热变形激活能；α为应力因子；n为应力指数；pσ为材料峰值应力；R为气体常量，这里取8.31 J/(mol·K)

对式（1）两边取对数并整理后得：

温度恒定时，对式（2）中lnε˙求偏导，得：

图 5为通过对实验数据处理获得的实验钢峰值应力σp与应变速率和温度的关系。由图5可知，当温度恒定时， ln[sinh(ασp)]与之间满足线性关系，其斜率的倒数即为n，可以求出实验钢的n=3.10。

当应变速率相同时，l n[sinh(ασp)]与 1000/T 也呈线性关系，直线的平均斜率为b[10]。图5b为实验钢峰值应力与变形温度的关系，可求出b=16。将已求得的n，b数据带入式（4）中，可以求出Q=412.151 kJ/mol。将求得数据带入式（1），可求出A=1.78 ×1 014。

由此可得，温度为850～1050 ℃时，Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢的热加工方程为：

2.4 动态再结晶规律的研究

通过以上求得的热变形激活能，可计算Z参数[11]：

Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢热变形峰值应力与Z参数的关系如图6所示。由图6可知，二者之间呈线性关系，利用最小二乘法确定线性相关性系数R2=0.92。经线性回归得到峰值应力方程为：

图5 Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢峰值应力与变形温度和应变速率的关系

图6 Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢峰值应力与Z参数的关系

通过实验钢在 td=850～1050 ℃，应变速率=0.01～10.0 s-1条件下的高温显微组织分析，可获得lnZ与变形组织的关系。当ln Z≤ 41.26630，即 Z ≤8.351× 1017时，Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢易发生动态再结晶。因此，Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢易发生动态再结晶的条件是在较高温度及较低应变速率时变形。

3 结论

1）在高温状态下，应变速率对Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢的动态再结晶行为有显著影响。

2）Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢的热变形激活能为Q=412.151 kJ/mol，热加工方程为：

3）在进行 Fe-20Mn-4Si-2Al高锰钢轧制的过程中，应在高温及低应变速率下变形，有利于降低轧机的负荷。

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