碳含量对碳钢退火组织温变形行为的影响

2018-12-28王书强甘美露冯秀梅谢建平张发伦顾寒菲

机电设备 2018年6期

王书强，甘美露，冯秀梅，谢建平，张发伦，顾寒菲

（江阴市产品质量监督检验所，江苏江阴 214434）

0 引言

Q235是一种普通碳素结构钢，又称为A3钢，其含碳量较低，强度、硬度、塑性及焊接性等综合性能较好，大量应用于建筑工程及化工设备等领域。45钢为中碳优质碳素结构钢，其冷塑性一般，但具有较高的强度和较好的切削加工性，常用于模具及机械制造领域。T8和T12钢均属于碳素工具钢，其具有较高硬度和耐磨性，适于制作不受冲击载荷及切削速度不高的各种工具[1]。金属材料的塑性变形分为冷变形、温变形和热变形。金属材料的温变形是指材料在高于回复温度但低于再结晶开始温度的温度范围内进行的塑性变形过程，既有热变形变形抗力小，塑性高、允许变形量大的优点，还有冷变形精度高的优点[2]。变形抗力直接影响材料加工过程中的变形力的大小及能量消耗的多少，对设备的选择与加工的难易有着重要的影响。目前，对碳素钢退火组织温变形的研究大多集中在单一钢种方面，如李志杰等[3]研究了中碳钢铁素体+珠光体组织在不同变形温度和应变速率条件下的流变行为；谭洪锋等[4]研究了两种初始组织分别为珠光体+先共析铁素体及马氏体的中碳钢温变形过程中的组织演变规律。目前，有关低碳钢和高碳钢退火组织温变形的研究报道较少。

本文使用Gleeble 3500热力模拟试验机，对Q235钢和45钢初始完全退火组织及T8钢和T12钢初始球化退火组织进行单道次温压缩试验，测定不同温度和应变速率下的应力-应变曲线，对比研究碳含量对碳素钢流变行为的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为 Q235、45、T8和 T12钢圆棒材，其化学成分如表1所示。

表1 试验用钢的化学成分（wt. %）

先将4种材料各切取一段分别进行热处理，Q235和45钢进行完全退火处理，组织均为铁素体和珠光体，Q235含碳量低，珠光体含量较少；T8和 T12钢进行球化退火处理，组织均为铁素体和粒状渗碳体[5]，热处理工艺如图 1所示。而后将试样经数控火花线切割机及钻床加工成直径8 mm、长度12 mm的圆柱型温压缩试样，试样表面光滑，两端平行。

在Gleeble 3500热力模拟试验机上对试样进行单道次温压缩试验并采集真应力-真应变数据。在试样与压头间放置钽片及二硫化钼以利于润滑并改善变形效果[6]。试验结束后快冷以保留原始变形组织。温压缩工艺如下：先将试样以10 ℃/s的速度分别升温至600℃、650℃和700℃并保温5 min；然后再分别以0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1及1 s-1的应变速率进行压缩试验，变形量为0.5。

图1 热处理工艺示意图

2 试验结果与分析

2.1 同应变速率不同温度条件下碳含量对流变曲线的影响

将 Q235、45钢完全退火组织和 T8、T12钢球化退火组织在应变速率为 0.01 s-1、变形温度在600℃～700℃范围内时进行单道次温压缩，得到的流变曲线如图2所示。

图2 Q235、45、T8和T12钢不同变形温度（应变速率0.01 s-1）下的温压缩流变曲线

图中，Q235钢（变形温度为600℃～650℃）的流变曲线类型为动态回复型[7]。在变形的初始阶段，随应变的增加，流变应力快速增大并达到一个峰值，在这个阶段塑性变形引起位错增殖，位错密度增加，不同方向位错交割，位错运动受阻所产生的加工硬化占据主导地位；过了峰值阶段，流变应力随着应变的增加继续增大但增速极为缓慢，在这个阶段，材料发生动态回复，原子的扩散导致晶体畸变能降低，内应力减小，动态回复的软化作用和加工硬化使材料的流变应力保持一个相对平衡的状态。而Q235钢（变形温度为700℃）和其余3种钢材（变形温度为600℃～700℃）的流变曲线均为动态再结晶型[8]。该种类型曲线在变形开始阶段特征与动态回复型类似，流变应力均随着应变的增加迅速壮大并达到一个极限，此时加工硬化占主导地位，但已局部产生动态回复再结晶。与动态回复型不同在于，动态再结晶型曲线的流变应力过了峰值后随着应变的增加而下降，此时动态回复和动态再结晶软化作用大于加工硬化作用。随着应变的继续增加，软化和硬化达到相对平衡，流变曲线进入稳态应力阶段。而当应变增大到一定量时，流变应力又会开始略微增加，此时加工硬化作用再次大于软化作用。

由图2可以看出：在相同的应变速率下，4种钢材的流变应力都随着变形温度的增加而下降。变形温度的升高导致原子活动动能及激活能增强，位错易于开动，同时动态回复和再结晶的软化作用更容易发生。由图可知：变形温度为600℃～700℃时，45钢流变应力始终高于其余3种钢材；T8钢流变应力始终高Q235和 T12钢；T12钢流变应力在绝大部分应变范围内高于Q235钢，随着应变的持续增加，二者流变曲线相交并基本重合，流变应力趋于一致。

图3为 Q235、45钢完全退火组织和 T8、T12钢球化退火组织在应变速率为 0.01 s-1、变形温度为600℃～700℃时碳含量和峰值应力及稳态应力的关系曲线。由图可知：4种钢材的峰值应力和稳态应力都随着碳含量的增加先增大后减小；45钢峰值应力最大，较 T8、T12及 Q235钢分别高约 11 MPa～14 MPa、22 MPa～26 MPa及35 MPa～42 MPa；T8钢次之，然后是T12钢，Q235钢峰值应力最小；45钢稳态应力也最高，较T8、T12及Q235钢分别高约9 MPa～13 MPa、14 MPa～20 MPa及 15 MPa～19 MPa；T8钢次之，T12和Q235钢的稳态应力几乎相同。

图3 碳含量和峰值应力σp(a)、稳态应力σst(b)的关系曲线

2.2 同温度不同应变速率条件下碳含量对流变曲线的影响

图 4为 Q235、45钢的完全退火组织和 T8、T12钢的球化退火组织在变形温度为 650℃、应变速率在0.001 s-1～1 s-1范围内时单道次温压缩获得的流变曲线。图中：Q235钢（应变速率为0.01 s-1～1 s-1）的流变曲线类型为动态回复型；Q235钢（应变速率为0.001 s-1）和其余3种钢材（应变速率为0.001 s-1～1 s-1）的流变曲线均为动态再结晶型。

图4 Q235、45、T8和T12钢不同应变速率（变形温度650℃）下的温压缩流变曲线

由图4可以看出：在相同的变形温度下，4种钢材的流变应力都随着应变速率的增大而增大。这是由于应变速率的增大使塑性变形无法充分的扩展和完成，位错快速增殖，密度不断增大，形成的位错塞积、交割等阻碍位错滑移，导致应力增大。由图可知：应变速率为 0.001 s-1～1 s-1时，45钢流变应力高于其余 3种钢材；应变速率为0.001 s-1～0.1 s-1时，T8钢流变应力高于T12和Q235钢；应变速率为1 s-1时，T8钢流变曲线在应变0.21处与T12钢曲线相交；应变速率为0.01 s-1～0.1 s-1时，T12钢流变应力高于Q235钢并在应变速率为0.01 s-1时，随应变的增加二者流变应力趋于一致；应变速率为0.001 1 s-1时，T12钢流变曲线在应变0.32处与Q235钢曲线相交。

图 5为 Q235、45钢完全退火组织和 T8、T12钢球化退火组织在变形温度650℃、应变速率0.001 s-1～1 s-1时碳含量和峰值应力及稳态应力的关系曲线。由图可知：应变速率为0.001 s-1～0.1 s-1时，4种钢材的峰值应力和稳态应力都随着碳含量的增加先增大后减小。应变速率为1 s-1时，4种钢材的峰值应力和稳态应力随着碳含量的增加先增大后减小再增大；45钢峰值应力最大，较T8、T12及Q235钢分别高约13 MPa～19 MPa、14 MPa～26 MPa及 26 MPa～63 MPa；T8 钢次之，当应变速率为1 s-1时，其峰值应力比T12钢低约6 MPa；然后是T12钢，Q235钢峰值应力最小；45钢稳态应力也最高，较 T8、T12及 Q235钢分别高约8 MPa～20 MPa、6 MPa～15 MPa 及 12 MPa～35 MPa；T8钢次之，当应变速率为1 s-1时，其稳态应力比T12钢低约13 MPa；应变速率为0.1 s-1～1 s-1时，T12钢稳态应力较Q235钢分别高约16 MPa和29 MPa；应变速率 0.01 s-1，二者稳态应力几乎相同；应变速率为0.001 s-1时，T12钢稳态应力较Q235钢低约3 MPa。

图5 碳含量和峰值应力σp(a)、稳态应力σst(b)的关系曲线

Q235和45钢完全退火组织均为铁素体和珠光体。其中，Q235钢碳含量较低，珠光体含量少；45钢珠光体含量约为 60%。片状珠光体作为粗大的第二相，对强度具有很大贡献[9]，导致45钢的变形抗力最大，Q235钢的变形抗力最小。T12钢的碳含量大于T8钢，碳原子在温变形过程中通过短路扩散先行析出，析出的碳化物容易聚集长大，T8钢析出碳化物时间晚，晶粒细小，所以变形抗力反而大于T12钢。