热变形对40CrMnMo钢的晶粒尺寸影响规律研究

刘晨希，赵宪明，杨 洋

（东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

40CrMnMo钢是一种广泛应用的中碳合金结构钢，因其具有良好的淬透性、较好的强韧性、优良的加工性能等众多综合特点，广泛应用于制造重要设备部件，如截面尺寸较大的传动轴、半轴、曲轴、齿轮、连杆等重载机械零件[1-3]。然而在目前实际生产中40CrMnMo热轧棒材轧后冷却时发生弯曲，硬度超过国家标准。硬度超标是因为母相奥氏体晶粒过大会导致晶界面积减小，铁素体形核位置减少，显微组织中铁素体含量降低，贝氏体含量增多，导致硬度升高；奥氏体晶粒过小会使材料发生晶界增多造成晶粒内位错塞积，位错运动的阻碍增大导致硬度升高。因此研究变形参数对40CrMnMo钢的奥氏体晶粒尺寸的影响，选择合适变形参数下使晶粒均匀、硬度降低，调整贝氏体与铁素体之间的配比。本文通过研究40CrMnMo钢在不同变形条件下的热变形及动态再结晶行为，建立了动态再结晶晶粒尺寸的模型，为40CrMnMo钢后需的变形工艺参数的制定提供理论依据。

1 材料及实验方案

所用材料为某钢厂提供的40CrMnMo钢，试验材料取至Φ20mm的棒材，加工成Φ8mm×15mm的实心试样，在MMS-200热力模拟机上进行高温压缩变形实验。先将试加热至1200℃，保温一段时间后以10℃/s降温至850-1150℃的变形温度，然后保温20s后进行单道次压缩变形，变形结束后试样直接淬火保留高温组织。试样制备好后采用OLYMPUS-BX51M观察奥氏体组织，并使用IPP软件、采用截点法测定平均奥氏体晶粒尺寸。

2 试验结果及分析

2.1 应力-应变曲线

基于单道次压缩实验数据，建立了图1所示的40CrMnMo钢在变形量0.8，相同的应变速率，不同变形温度下的流变应力-应变曲线。图1(a)和(b)的应力-应变曲线中，应变速率0.01s-1和0.1s-1，所有变形温度下当流变应力达到峰值后都有下降的趋势，呈动态再结晶型。图1(c)和(d)的流变应力-应变曲线中，应变速率1s-1和10s-1，在所有变形温度下应变到0.3后流变应力达到峰值，流变应力随着应变的增加保持稳定不变，呈动态回复型。

图1 40CrMnMo钢的应力-应变曲线(a)0.01s-1；(b)0.1s-1；(c)1s-1；(d)10s-1。

可见，同一应变速率下，变形温度升高，峰值应力降低，且峰值应力向应变小的方向移动；在相同变形温度下，应变速率越大，流变应力越大。峰值应力的变化说明在不同的变形条件下中发生的动态再结晶程度不同，变形温度和应变速率对动态再结晶行为都有明显的影响。变形温度850℃，加工硬化明显，发生动态软化困难；随着变形温度的升高，晶粒的储存能升高，晶内原子扩散速度加快，位错通过滑移或攀移，使位错消失和重新排列，位错运动的驱动力增大且晶粒内的储存能增多，从而易于发生动态再结晶。应变速率的增大使发生变形的时间的缩短，导致位错密度在较短变形时间内急剧增加，没有充足的时间形成新晶核，奥氏体不易发生动态再结晶，动态再结晶的效果减小，随着应变速率的增加使加工硬化效果增加，使动态软化和加工硬化的作用效果达到相互平衡。

2.2 热变形参数对晶粒尺寸的影响

图2是40CrMnMo钢在变形温度950℃，变形量0.8，不同应变速率下的显微组织。应变速率的增大使奥氏体晶粒尺寸逐渐减小，奥氏体晶粒尺寸由17.96μm减小到5.93μm。在应变速率0.01s-1，原始奥氏体晶粒发生再结晶现象；应变速率的增加使不均匀的晶粒转变为均匀的等轴晶形貌，发生动态软化的时间减短，晶粒逐渐变得细小、均匀。当应变速率达到10s-1时，发生动态回复行为，由于动态软化作用减小，导致有少数长条状晶粒来不及发生再结晶转变为等轴晶。应变速率的增提高加工硬化效果，位错增殖速度提高，在同一变形量下，获得的位错密度越高，晶粒内形变储存能也越大，为奥氏体再结晶提供了足够的驱动力；应变速率的增大，缩短了变形时间，使变形后的奥氏体晶粒没有足够的时间发生回复和长大。因此晶粒尺寸随着应变速率的增大而减小，在应变速率10s-1时奥氏体平均晶粒尺寸达到5.93μm。

图2 不同应变速率下的显微组织 (950℃, e=0.8)(a)0.01s-1；(b)0.1s-1；(c)1s-1；(d)10s-1。

图3为40CrMnMo钢在变形量0.8、应变速率1s-1，不同变形温度下的显微组织。由图可见，随着变形温度逐渐升高，奥氏体晶粒尺寸逐渐增大。在变形温度为850℃时，部分奥氏体晶粒沿着轧制方向压缩变形，未发生再结晶，呈扁平组织；随着变形温度的升高，奥氏体晶粒逐渐转变为等轴晶，且晶粒的平均尺寸越来越大，从4.28μm增大到25.13μm。在相同的应变量和应变速率下，由于变形温度的升高，晶粒的长大速度越来越快，原子扩散的速度越快，随着晶界的迁移，小晶粒逐渐被吞并，形成了晶粒尺寸较大的等轴晶。

图3 不同变形温度下的显微组织 (e=0.8,=1s-1)(a)850℃ ；(b)950℃ ；(c)1050℃ ；(d)1150℃。

2.3 动态再结晶晶粒尺寸模型的建立

动态再结晶的发生与应力-应变曲线的峰值应力σP有关，流变应力σ主要受变形温度T和应变速率的影响，为了表征变形参数对DRX的影响规律，引入参数Z，一般表示为[4-7]：

在真应力-应变曲线中，它适用于各种应力水平的σ和ε˙关系，双曲正弦形式修正的Arrhenius关系式[8]能够包含再结晶激活能Q和温度，用于描述变形后热激活能的变化。如下：

式中，A、n1、n、α均与温度无关；A为结构因子，s-1；n为应力指数；α为应力水平参数，MPa-1，σ表示为峰值应力、稳态应力或某一指定应变时的流变应力，MPa。

采用式(2)的对数形式：

采用优化算法可以得到方程的系数，即：

参数Z包含了应变速率、形变温度对变形后奥氏体再结晶晶粒的影响。提高应变速率˙与降低变形温度，都有利于参数Z增大，对应的流变应力峰值σP较高，参数Z越大奥氏体晶粒越细。在其他变形参数相同的情况下，较高的应变速率或较低的形变温度及较大形变量都能减小奥氏体再结晶晶粒尺寸。

材料在动态再结晶变形阶段，计算平均晶粒尺寸的数学模型，如下式[9]：

式中，C、nd为模型系数。

将式(7)两边同取自然对数，可得：

图4 lndDRX与lnZ的线性关系

对lndDRX-lnZ曲线进行线性拟合，得到斜率为-nd=-0.199，截距为lnC=8.266。由此可得nd=0.199，C=3.89×103。

则40CrMnMo钢动态再结晶晶粒尺寸模型为：

3 结论

（1）变形温度、应变速率、变形量对40CrMnMo钢热变形行为具有重要的影响。40CrMnMo钢在变形温度为50℃、应变量0.8、应变速率为1s-1下易于发生动态再结晶。

（2）奥氏体晶粒尺寸受变形参数的影响。变形温度的降低、应变量增加或应变速率升高而减小能使晶粒逐渐细化，当应变速率达到1s-1后，随着应变速率的增加细化效果不明显。

（3）对40CrMnMo钢的应变速率和变形温度对晶粒尺寸影响的曲线进行线性拟合，得出其动态再结晶晶粒尺寸模型为：