圖 1Q235低碳鋼的計(jì)算相圖
模擬金屬塑性大變形時(shí),通常使用圓柱壓縮以及平面應(yīng)變壓縮熱模擬技術(shù)[1-3]。圓柱壓縮試驗(yàn)比較接近軋制過(guò)程,但是由于摩擦力的影響,試樣變形不均勻,出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象,且試樣的變形區(qū)較小,限制了隨后的力學(xué)性能測(cè)試[4]。與圓柱壓縮熱模擬技術(shù)相比,平面應(yīng)變壓縮變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)、金屬流動(dòng)狀態(tài)和熱傳導(dǎo)與軋制更相似,因此平面應(yīng)變壓縮技術(shù)也被用來(lái)研究金屬塑性大變形。目前,大多數(shù)平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)技術(shù)只能用來(lái)研究材料的顯微組織以及流變應(yīng)力,很少能實(shí)現(xiàn)同時(shí)研究試樣的顯微組織和力學(xué)性能[5-7]。為實(shí)現(xiàn)同時(shí)分析材料大變形后的顯微組織與力學(xué)性能,進(jìn)而提高熱模擬分析的效率,大試樣平面應(yīng)變技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[8-9]。然而,目前大多數(shù)大試樣平面應(yīng)變技術(shù)只局限于特定的儀器,并未在常用的熱模擬試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)。
筆者主要針對(duì)Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)的大試樣平面技術(shù)進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)儀器的通電加熱和感應(yīng)加熱等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,使大試樣溫度在升溫、保溫和降溫過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定,滿足大試樣在保溫階段的均溫性要求；并對(duì)Q235低碳鋼在Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上壓縮變形區(qū)的顯微組織以及其平行試樣的力學(xué)性能進(jìn)行分析,結(jié)合平面應(yīng)變?cè)嚇拥膶捳?探討基于Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)的大試樣平面應(yīng)變技術(shù),為研究鋼鐵等其他材料大試樣平面應(yīng)變熱模擬方法提供支持。
1. 試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)材料為Q235低碳鋼,Q235低碳鋼的計(jì)算相圖如圖1所示。由圖1可知：Q235低碳鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度為840℃；隨著溫度降低,奧氏體析出先共析鐵素體,其相組成為奧氏體和鐵素體；隨著溫度的繼續(xù)降低,奧氏體發(fā)生共析反應(yīng),生成珠光體,其相組成為鐵素體和滲碳體（Fe3C）。
采用Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn),試樣的尺寸（長(zhǎng)度×寬度×高度,下同）為30mm× 30mm× 140mm。根據(jù)圖1的計(jì)算相圖,制定了Q235低碳鋼的熱模擬工藝（見(jiàn)圖2）。首先將試樣以20℃/s的升溫速率升溫至1200℃,并保溫30s,使得低碳鋼完全奧氏體化,再以3℃/s的降溫速率降到900℃,并保溫30s；然后以應(yīng)變速率為1s-1進(jìn)行總形變量50%的3道次壓縮,每道次下壓5mm；最后以3℃/s的降溫速率將奧氏體鋼冷卻到室溫。
圖 2平面應(yīng)變壓縮熱模擬工藝
使用砂紙和拋光機(jī)對(duì)平面應(yīng)變?cè)嚇舆M(jìn)行打磨與拋光,然后使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液進(jìn)行腐蝕,腐蝕時(shí)間約為50s。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)平面應(yīng)變?cè)嚇拥娘@微組織進(jìn)行分析。使用計(jì)算機(jī)控制電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)和沖擊韌性試驗(yàn)機(jī)對(duì)平面應(yīng)變?cè)嚇拥睦煨阅芎蜎_擊韌性進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,對(duì)直徑為3mm的棒狀試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),應(yīng)變速率為0.001s-1。沖擊試樣采用尺寸為10mm× 10mm× 55mm的夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣,依據(jù)GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。
2. 試驗(yàn)結(jié)果
2.1 大試樣的均溫區(qū)
在對(duì)試樣進(jìn)行平面應(yīng)變壓縮變形時(shí),首先要保證試樣變形部位的均溫性,尤其是尺寸較大的試樣。為了使大試樣溫度在升溫、保溫和降溫過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定,對(duì)Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)的儀器參數(shù)進(jìn)行了探索。在升溫、保溫和降溫過(guò)程中,主要調(diào)整Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)通電加熱和感應(yīng)加熱的檔位。由于試樣的尺寸較大,感應(yīng)加熱不能夠使試樣按照設(shè)定的工藝進(jìn)行升溫和保溫,因此主要以通電加熱為主,感應(yīng)加熱為輔,使大試樣溫度在升溫、保溫、降溫的過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定。
為確定大試樣的均溫區(qū),設(shè)定的熱模擬工藝如圖3所示,同時(shí)對(duì)距離中心線左端10mm和20mm的溫度進(jìn)行了測(cè)量。由圖3可知：大試樣在升溫階段,以及1200,1000,800℃保溫階段的溫度相對(duì)穩(wěn)定,中心線與左端10mm處的溫差約為20℃,結(jié)合大試樣溫度分布的對(duì)稱性,大試樣均溫區(qū)尺寸為30mm× 30mm× 20mm,平面應(yīng)變壓頭半徑為10mm,滿足大試樣均溫性的要求。
圖 3大試樣的熱模擬工藝曲線
圖4為平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)的熱模擬工藝和實(shí)際測(cè)定溫度曲線。由圖4可知：試樣在升溫、保溫和降溫過(guò)程中測(cè)定的溫度曲線與工藝設(shè)定的溫度曲線基本一致。試樣在升溫、保溫和降溫過(guò)程中主要以通電加熱為主,感應(yīng)加熱為輔。
圖 4熱模擬工藝和實(shí)際測(cè)定溫度曲線
2.2 流變應(yīng)力-流變應(yīng)變曲線與相變溫度
材料流變應(yīng)力曲線是分析金屬材料熱軋或冷軋過(guò)程中回復(fù)以及再結(jié)晶規(guī)律的主要依據(jù)之一[10-14]。圖5為Q235低碳鋼試樣的流變應(yīng)力-流變應(yīng)變曲線。由圖5可知：Q235低碳鋼在經(jīng)過(guò)第二次壓縮后發(fā)生了軟化。結(jié)合Q235低碳鋼的軟化規(guī)律和單道次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律可得,經(jīng)平面應(yīng)變壓縮后,奧氏體主要發(fā)生了靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶,直到發(fā)生相變生成鐵素體。
圖 5平面應(yīng)變?cè)嚇拥牧髯儜?yīng)力-流變應(yīng)變曲線
圖6為平面應(yīng)變?cè)嚇釉谏郎睾徒禍剡^(guò)程中的膨脹曲線。由圖6可知：Q235低碳鋼的奧氏體相變溫度為737℃,完全奧氏體化的溫度為764℃；Q235低碳鋼中奧氏體生成鐵素體的相變溫度為752℃,相變完成的溫度為606℃。
圖 6平面應(yīng)變?cè)嚇釉谏郎睾徒禍剡^(guò)程中的膨脹曲線
2.3 顯微組織與力學(xué)性能
經(jīng)過(guò)平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)后,試樣厚度從30mm被壓縮至15.2mm,壓縮變形后試樣的宏觀形貌如圖7所示。由圖7可知：壓縮變形后Q235低碳鋼試樣的寬展相對(duì)較小,應(yīng)變分布接近于平面應(yīng)變狀態(tài)。因此,Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)可以較好地完成金屬材料大試樣平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)。
圖 7壓縮變形后試樣的宏觀形貌
對(duì)壓縮變形后的試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),取樣位置如圖8所示,金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9a)可知：位置1的白色相為鐵素體,黑色相為珠光體,按照形貌可將其組織劃分為4個(gè)區(qū)域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）,Ⅰ區(qū)的組織中不僅包含塊狀鐵素體和珠光體,還包含針狀鐵素體,生成的針狀鐵素體與珠光體組成了魏氏組織[15]；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的組織均為塊狀鐵素體和珠光體,其中Ⅲ區(qū)的塊狀鐵素體晶粒尺寸最小；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)與表面距離相似,冷卻速率相似,然而Ⅲ區(qū)的鐵素體晶粒尺寸小于Ⅱ區(qū),主要與Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的形變量有關(guān)。在經(jīng)過(guò)平面應(yīng)變壓縮后,Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的奧氏體發(fā)生了不同程度的局部變形,形變量越大,形變儲(chǔ)能越高,越有助于再結(jié)晶細(xì)化原奧氏體晶粒尺寸,使得晶界面積增大。形變晶粒以及形成的位錯(cuò)為先共析鐵素體形核提供了能量和形核位置,從而細(xì)化了鐵素體的晶粒。雖然位置1中Ⅳ區(qū)的上端表面與壓頭接觸,摩擦力較大,形變量較小,但Ⅳ區(qū)的鐵素體晶粒依然為塊狀鐵素體,主要是因?yàn)橥舛说睦鋮s速率比心部快。
圖 8金相檢驗(yàn)取樣位置示意
圖 9壓縮變形后試樣的顯微組織形貌
由圖9b)~9h)可知：位置2上端的組織為塊狀鐵素體和珠光體,鐵素體晶粒尺寸與位置1中Ⅳ區(qū)的基本一致,位置2下端為魏氏組織,與位置1中的Ⅰ區(qū)相似；位置3上端為魏氏組織,下端組織中含有少量魏氏組織；位置4左端為魏氏組織,右端魏氏組織逐漸消失；位置5中鐵素體大部分為塊狀,還有一部分針狀鐵素體；位置6與位置4的顯微組織相似；位置7,8的顯微組織與位置5相似,大部分組織為塊狀鐵素體和珠光體,并含有少量魏氏組織。
低碳鋼中針狀鐵素體的形成主要與材料的化學(xué)成分、冷卻速率、原奧氏體晶粒尺寸和夾雜物含量等因素有關(guān)。不同位置針狀鐵素體含量的變化與局部形變量和冷卻速率有關(guān),局部形變量的變化影響了原奧氏體的晶粒尺寸,進(jìn)而影響針狀鐵素體的含量。當(dāng)冷卻速率相似時(shí),隨著局部形變量的增加,針狀鐵素體的含量逐漸減少,塊狀鐵素體含量增加。大試樣經(jīng)過(guò)3道次形變量為50%的平面應(yīng)變壓縮后,Q235低碳鋼變形中心區(qū)域的組織大部分為塊狀鐵素體和珠光體,顯微組織相對(duì)均勻。
對(duì)壓縮變形后試樣的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,拉伸試樣和沖擊試樣的取樣位置如圖7b)所示,按照相同熱模擬工藝進(jìn)行了兩次相同的平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn),制備出兩個(gè)平面應(yīng)變?cè)嚇?兩個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度分別為463,467 MPa,兩個(gè)試樣的沖擊吸收能量分別為175,181 J,兩個(gè)平行試樣的力學(xué)性能接近,力學(xué)性能較穩(wěn)定。
3. 結(jié)論
（1）通過(guò)對(duì)Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使大試樣溫度在升溫、保溫和降溫過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定。大試樣均溫區(qū)尺寸為30mm× 30mm× 20mm,溫差為20℃,滿足大試樣平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)的要求。
（2）基于平面應(yīng)變?cè)嚇拥慕M織、流變應(yīng)力-流變應(yīng)變曲線、相變溫度,確定了Q235低碳鋼變形區(qū)的顯微組織演變規(guī)律,試樣中間區(qū)域的顯微組織相對(duì)均勻,為鐵素體和珠光體。
（3）經(jīng)平面應(yīng)變壓縮后,Q235低碳鋼試樣的寬展相對(duì)較小,應(yīng)變分布接近于平面應(yīng)變狀態(tài),且平行試樣的力學(xué)性能較穩(wěn)定,說(shuō)明Thermecmastor型熱模擬試驗(yàn)機(jī)的平面應(yīng)變技術(shù)可以較好地模擬Q235低碳鋼壓縮變形時(shí)的平面應(yīng)變狀態(tài)?？芍苯訉?duì)壓縮后的試樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)同時(shí)分析鋼鐵材料顯微組織與力學(xué)性能。
文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)