劉志龍 劉建生 黨淑娥 梁曉捷 趙志磊

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024;2.太原重工股份有限公司鍛壓分公司，山西030024)

大鍛件是綜合材料、冶鑄、鍛造、熱處理工藝等為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，在熱加工過程中發(fā)生著復(fù)雜的組織演變。而大型鍛造一般分為制坯和成形鍛造兩個階段。制坯工藝的主要目的是在壓實(shí)鋼錠的孔隙型鑄態(tài)缺陷的同時，將粗大的鑄態(tài)柱狀晶粒碎化并轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鍛態(tài)等軸晶粒。在以鐓粗、拔長等基本工藝組成的制坯過程中，由于熱力學(xué)因素、變形及原始組織的不均勻性，必然造成制坯后鍛件組織的不均勻，從而對后期的成型鍛造的組織控制產(chǎn)生直接影響。由此可見研究鋼錠鑄態(tài)粗晶組織在加熱均勻化后制坯鐓粗過程的演變機(jī)制及規(guī)律的重要性。文章采用物理模擬的方法研究了30Cr2Ni4MoV臨界轉(zhuǎn)子鋼經(jīng)高溫擴(kuò)散后在高溫狀態(tài)下制坯鐓粗過程中的組織演變，力求弄清鑄態(tài)組織向鍛態(tài)組織轉(zhuǎn)變過程中粗大晶粒的細(xì)化機(jī)制，并揭示晶粒大小、混晶程度與變形條件的關(guān)系。

1 試驗材料及方法

試驗以30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子鍛件鋼錠冒口材料作為研究對象，從原材料上取樣將其放入KBF1400箱式電阻爐內(nèi)，模擬大鍛件加熱速度連續(xù)加熱到1 250℃，保溫4 h后水淬處理，然后按圖1加工試樣。最后在熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行鐓粗物理模擬試驗。模擬實(shí)驗工藝參數(shù)見表1。熱壓縮變形后，試樣立即進(jìn)行淬火處理，以保持熱變形結(jié)束時奧氏體組織的邊界。將壓縮后的試樣縱向剖開，經(jīng)研磨拋光后用過飽和苦味酸、十二烷基笨磺酸鈉及蒸餾水按一定比例配制成溶液，在40℃的水浴中浸蝕，侵蝕后用酒精擦拭清洗再吹干，用Zaiss Imager金相顯微鏡觀察試樣心部，以便觀察材料制坯鐓粗過程中組織的演變。

表1 實(shí)驗工藝參數(shù)Table 1 The parameters of experiment process

圖1 試樣加工尺寸Figure 1 The manufacturing dimension of samples

圖2 未變形的金相組織Figure 2 Undeformed microstructure

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 3 The curves of stress and strain

2 30Cr2Ni4MoV臨界轉(zhuǎn)子鋼鐓粗過程及分析

2.1 鐓粗過程中再結(jié)晶組織與變形溫度和變形量的關(guān)系

為對比變形前后組織的變化，在熱模擬機(jī)上對試樣按實(shí)驗要求加熱保溫2 min，水淬拋光腐蝕。變形前的晶粒狀態(tài)見圖2。由圖2可見，變形前的晶粒多呈六邊形且晶界平直，但晶粒大小不均勻。

30Cr2Ni4MoV鋼在1 100℃與1 200℃時，應(yīng)變速率為0.05 s-1，變形量為50%(真應(yīng)變?yōu)?.69)。應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3。不同溫度下隨變形量的增加，顯微維組織的演變分別見圖4與圖5。

由圖3可知，當(dāng)形變量與應(yīng)變速率一定時，流變應(yīng)力、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變都隨形變溫度的升高而降低。其原因是隨形變溫度的升高，熱激活作用隨之加強(qiáng)，從而使得位錯運(yùn)動增強(qiáng)、臨界切應(yīng)力降低，所以金屬材料變形時的變形抗力也逐漸降低。但峰值應(yīng)變較峰值應(yīng)力、流變應(yīng)力的下降速度小得多。由此可知，溫度對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響程度較應(yīng)變對其的影響程度大得多。綜合來看，金屬材料在較高的溫度變形時，應(yīng)力應(yīng)變的峰值應(yīng)力就愈低，且動態(tài)再結(jié)晶所需的臨界應(yīng)變及完全動態(tài)再結(jié)晶所需的變形量也愈低。

圖4 1 100℃時不同變形量下的金相組織Figure 4 Microstructure under different deformation amounts at 1 100℃

圖5 1 200℃時不同變形量下的金相組織Figure 5 Microstructure under different deformation amounts at 1 200℃

對比圖2、圖4與圖5可見，在不同的溫度下隨變形量的增加，在動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生前，晶粒由六邊形變?yōu)樗倪呅?，較平直的晶界逐漸呈鋸齒狀。隨變形量的繼續(xù)增大，帶有鋸齒狀的晶界成為再結(jié)晶的主要形核位置[1、2]，在奧氏體晶界處出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶晶粒。隨著變形量逐漸增大，再結(jié)晶晶粒個數(shù)明顯增多。另外，在相同變形量的條件下，再結(jié)晶晶粒的比例隨變形溫度的升高明顯增多，且動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸有所增大。具體原因分析如下：

變形溫度與變形量對再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)的影響可以根據(jù)經(jīng)典的Johnson-Mehl方程[3]得出：

(1)

式中，X為再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)；N為形核率；G為晶粒生長速度；t為時間。由公式(1)可知，X隨著N和G的增加而增加。關(guān)于晶粒生長速度G則有以下公式：

G=BEs/λ

(2)

式中，Es為每克分子的儲存能；B為晶界的遷移速率； 為常數(shù)[4]。

由公式(2)可知)，Es隨變形量的增加而增大，故G也隨著變形量的增加而增大，最終導(dǎo)致X的增大。這就是在同一溫度下再結(jié)晶程度隨變形量的增加而增大的原因。此外，在同一溫度下，再結(jié)晶的形核速率N隨變形量的增加而增大，并且N的增長速率要較G的增長速率大，二者綜合的結(jié)果導(dǎo)致形核數(shù)目增加，使再結(jié)晶晶粒細(xì)化。

溫度對再結(jié)晶的影響也是由溫度對N和G的影響而決定的，具體可根據(jù)Arrhenius[5]方程獲得：

G=G0exp(-Qg/RT)

(3)

式中，Qg為再結(jié)晶晶粒生長的激活能。

N=N0exp(-Qn/RT)

(4)

式中，Qn為再結(jié)晶形核的激活能。

當(dāng)變形量大于10%以后，Qn與Qg大致相等。由此可見，再結(jié)晶晶粒的形核與長大都屬于熱激活過程，隨著溫度的升高，G與N都隨之增大。這就是隨溫度升高，開始再結(jié)晶的臨界變形量將減小，完全再結(jié)晶的變形量也表現(xiàn)出同樣的趨勢的原因。

變形溫度對再結(jié)晶組織的影響，變形溫度的變化會改變材料形變后的存儲能，因而會影響N與G的變化。變形溫度升高使得N/G的值降低，因此再結(jié)晶的晶粒粗化。

2.2 鐓粗過程中混晶的演變

30Cr2Ni4MoV鋼在不同的變形溫度下，給予不同的變形量。經(jīng)定量金相分析，可分別獲得兩種變形溫度下變形量對混晶的影響曲線，見圖6與圖7。

圖6 1 100℃時變形量對混晶的影響Figure 6 The effect of deformation amount on the mixed grains at 1 100℃

圖7 1 200℃時變形量對混晶的影響Figure 7 The effect of deformation amount on the mixed grains at 1 200℃

結(jié)合鐓粗過程中再結(jié)晶組織與變形溫度和變形量的關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，1 100℃時，當(dāng)變形量達(dá)到15%時，原始組織才會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，故變形量在10%以下，混晶度無變化；變形量為15%時動態(tài)再結(jié)晶開始發(fā)生，但再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)較小，所以對混晶度影響較弱，只是面積有所增加；變形量在30%之前時，隨變形量的增加，混晶度及其面積百分比都隨之增加，30%時混晶度達(dá)到最大，其值為4.5，面積百分比大于45%；變形量大于30%時，隨變形量的增加，混晶度及其面積百分比又隨之減小。1200℃時，當(dāng)變形量達(dá)到10%時，原始組織開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，故變混晶面積百分比增大；變形量為20%時混晶度達(dá)到最大，其值為4.5，面積百分比為45%；變形量為30%時，混晶度雖然減小，但是其占有面積較20%時略顯增大。此后，隨著變形的繼續(xù)增加，動態(tài)再結(jié)晶百分比進(jìn)一步增大，故混晶度及其占有面積都隨變形量的增加而減小。其原因是：30%的變形量對應(yīng)的真應(yīng)變?yōu)?.36，將此值分別對應(yīng)不同溫度的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，真應(yīng)變0.36在曲線中的位置接近完全再結(jié)晶所需的變形量，而在1 200℃時真應(yīng)變0.36較完全再結(jié)晶所需變形更接近。由此可知，變形量在部分再結(jié)晶區(qū)域時，隨變形量的增加，混晶及其占有面積都隨之增大。當(dāng)變形量大于完全再結(jié)晶所需臨界變形量時，隨變形量的增加，混晶及其占有面積都隨之減小。此外，比較圖6與圖7發(fā)現(xiàn)，完全再結(jié)晶時，在相同的變形量下，混晶度及其占有面積隨溫度的升高而減小。

3 結(jié)論

(1) 在不同的溫度下隨變形量的增加，在動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生前，晶粒由六邊形逐步向四邊形過度，較平直的晶界逐漸呈鋸齒狀。隨變形量的繼續(xù)增大，帶有鋸齒狀的晶界成為再結(jié)晶的主要形核位置；變形溫度相同時，隨變形量的增加，動態(tài)再結(jié)晶的比例增加。變形量相同時，再結(jié)晶的臨界變形量與完全再結(jié)晶所需的變形量隨溫度的升高而減小。1 200℃時再結(jié)晶的臨界變形量為10%，1 100℃時再結(jié)晶的臨界變形量為15%。

(2) 變形量在部分再結(jié)晶區(qū)域時，隨變形量的增加，混晶及其占有面積都隨之增大。當(dāng)變形量大于完全再結(jié)晶所需臨界變形量時，隨變形量的增加，混晶及其占有面積都隨之減小。完全再結(jié)晶時，在相同的變形量下，混晶度及其占有面積隨溫度的升高而減小。

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