黃元春，黃雨田，肖政兵，王也君，許天成，李文靜

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35CrMo鋼控溫模鍛加熱過(guò)程中奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為

黃元春1, 2, 3，黃雨田2，肖政兵3，王也君2，許天成2，李文靜2

(1. 中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué)輕合金研究院，長(zhǎng)沙 410083；3. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

將35CrMo鋼試樣在不同的加熱溫度和保溫時(shí)間下進(jìn)行等溫奧氏體化處理，采用正較實(shí)驗(yàn)法研究加熱溫度與保溫時(shí)間對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響，并對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明：當(dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，奧氏體晶粒尺寸隨加熱溫度升高而增大，奧氏體晶粒的粗化溫度為950 ℃；當(dāng)加熱溫度一定時(shí)，奧氏體晶粒尺寸隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增大，保溫初期晶粒快速長(zhǎng)大，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大速率放緩。綜合考慮加熱溫度、保溫時(shí)間和初始奧氏體晶粒尺寸的影響，推導(dǎo)出35CrMo鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大模型，用該模型計(jì)算的晶粒尺寸與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

正交試驗(yàn)；35CrMo鋼；奧氏體化；晶粒長(zhǎng)大模型；加熱溫度；保溫時(shí)間

鋼的晶粒尺寸直接影響其綜合力學(xué)性能，細(xì)化晶粒是目前唯一能同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性的強(qiáng)化方式。高溫下的奧氏體晶粒越小，冷卻到室溫的過(guò)程中由奧氏體轉(zhuǎn)變而來(lái)的組織越細(xì)小，因而鋼的強(qiáng)韌性越高[1]。為了得到細(xì)小的組織，需要對(duì)鋼鐵的奧氏體晶粒長(zhǎng)大機(jī)理進(jìn)行研究，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，SEOK-JAE L等[2?4]研究了低合金鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律，可以用Arrhenius模型描述。余永寧 等[5]的研究也說(shuō)明大角度晶界的遷移率與溫度之間的關(guān)系服從Arrhenius模型。DUAN等[6]認(rèn)為奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律可以用Sellars模型描述。文獻(xiàn)[7?9]分別報(bào)道了30Cr2Ni4MoV鋼、X12CrMo WVNbN10-1-1鐵素體耐熱鋼和機(jī)車車輪用鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為。35CrMo鋼是一種典型的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，其淬透性較高，調(diào)質(zhì)后具有較強(qiáng)的疲勞強(qiáng)度和抗沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，通常用于制造強(qiáng)度要求較高或調(diào)質(zhì)斷面較大的鍛件。在控溫模鍛加熱過(guò)程中，奧氏體化的加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)鍛件的晶粒尺寸有較大影響，從而影響最終的性能[10]。因此，研究奧氏體化過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大行為有助于制定合理的控溫模鍛工藝參數(shù)，從而獲得晶粒細(xì)小的微觀組織。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于35CrMo鋼的研究主要集中在熱變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為和熱變形行為、鍛件的抗腐蝕性能和調(diào)質(zhì)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬與工藝控制等[11?14]，關(guān)于35CrMo鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律的研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究對(duì)大型主承力回轉(zhuǎn)軸用35CrMo鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為進(jìn)行研究，分析加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)35CrMo鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響，確定其奧氏體晶粒的粗化溫度，并建立奧氏體晶粒的長(zhǎng)大模型，為35CrMo鋼后續(xù)的熱加工工藝及熱處理工藝提供理論依據(jù)，對(duì)于提高35CrMo鋼的強(qiáng)度和韌性具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

35CrMo鋼取自電磁鑄造后經(jīng)過(guò)自由鍛的鍛坯，在距中心0.5R處截取試樣，尺寸為10 mm×5 mm×5 mm。35CrMo鋼的化學(xué)成分列于表1。

采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，將試樣分為6×6組，研究加熱溫度(850，900，950，1000，1050和1100 ℃)和保溫時(shí)間(0，30，60，90，120和150 min)對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響。用KBF1400 箱式電阻爐將試樣加熱到設(shè)定溫度，保溫一定時(shí)間后立刻水淬至室溫。

將水淬后的試樣研磨拋光，然后在60 ℃恒溫水浴下進(jìn)行奧氏體晶界侵蝕，腐蝕液組成為2 g苦味酸+1~2 g洗滌劑+50 mL蒸餾水，侵蝕時(shí)間為5~10 min，利用Olympus DSX500光學(xué)顯微鏡觀察奧氏體晶粒形貌，根據(jù)GB/T 6394?2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》(人工截點(diǎn)法)測(cè)定奧氏體晶粒的平均晶粒度，采用同心圓法測(cè)量[15]。

2 結(jié)果與分析

晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是晶界自由能，晶界朝著其曲率中心移動(dòng)，結(jié)果使一些晶粒長(zhǎng)大，另一些晶粒縮小直至消失[1]。表2所列為加熱溫度與保溫時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響，可見(jiàn)奧氏體晶粒尺寸隨加熱溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增大。

表1 35CrMo鋼的化學(xué)成分

表2 加熱溫度與保溫時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響

2.1 加熱溫度

圖1所示為不同溫度下保溫30 min后的奧氏體晶粒形貌，晶粒尺寸如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，加熱溫度在850～950 ℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸隨溫度升高緩慢增大，晶粒尺寸相對(duì)均勻；當(dāng)溫度升高到950～1000 ℃時(shí)，一部分奧氏體晶粒隨溫度升高迅速長(zhǎng)大，另一部分晶粒仍保持細(xì)小，說(shuō)明該溫度范圍為晶粒的快速長(zhǎng)大階段；當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1050和1100 ℃以上時(shí)，細(xì)小晶粒基本消失。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，35CrMo鋼的奧氏體晶粒開(kāi)始粗化的溫度為950 ℃。

當(dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，大角度晶界的遷移率與溫度之間服從Arrhenius關(guān)系[6]：

式中：為晶界遷移率；0為與材料有關(guān)的常數(shù)；為晶界遷移的表面激活能，J/mol；為普適氣體常數(shù)，8.31 J/(mol?K)；為加熱溫度，。由式(1)可知，奧氏體晶粒長(zhǎng)大速率隨加熱溫度升高呈指數(shù)關(guān)系增加，即隨加熱溫度升高，奧氏體晶粒尺寸呈指數(shù)關(guān)系長(zhǎng)大。圖2較好地反應(yīng)了這個(gè)規(guī)律。

隨加熱溫度升高，過(guò)熱度增加，導(dǎo)致臨界晶核半徑減小，所需的濃度起伏也減小，奧氏體的形成速率加快；另外，奧氏體晶粒長(zhǎng)大過(guò)程是大晶粒吞并小晶粒的過(guò)程，其結(jié)果是晶粒尺寸增大，但總的晶粒數(shù)減少，導(dǎo)致晶界面積減小，總表面能相應(yīng)降低，因此，隨溫度升高，晶粒加速長(zhǎng)大。

2.2 保溫時(shí)間

圖3所示為35CrMo鋼在950 ℃下保溫不同時(shí)間后的奧氏體晶粒形貌，對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸如圖4所示。由圖3和圖4可知，原始奧氏體晶粒尺寸隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增大，當(dāng)奧氏體晶粒長(zhǎng)大到一定尺寸后，長(zhǎng)大過(guò)程減慢直至停止。對(duì)比圖2和圖4可知，保溫時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響遠(yuǎn)小于加熱溫度的影響。

圖1 35CrMo在不同溫度下保溫30 min的奧氏體晶粒形貌

圖2 保溫30 min條件下奧氏體晶粒尺寸隨溫度的變化

在等溫條件下晶粒正常長(zhǎng)大時(shí)，由圖4可看出，奧氏體平均晶粒尺寸隨保溫時(shí)間的變化曲線近似呈拋物線，該過(guò)程可以用Beck方程[1]描述：

=Kt(2)

式中：為奧氏體的平均晶粒尺寸，μm；和均為與材料和溫度有關(guān)的常數(shù)；為保溫時(shí)間，s。從圖3可見(jiàn)，在保溫初期，初始奧氏體晶粒尺寸不均勻，使晶界界面能偏高，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為維持系統(tǒng)平衡，晶界界面能自發(fā)降低，所以晶粒快速長(zhǎng)大。但隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，由于奧氏體晶粒尺寸趨于均勻，晶界越來(lái)越平直，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)能明顯減小，因而長(zhǎng)大速率趨于穩(wěn)定。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，為獲得大小均勻的奧氏體晶粒，并保證元素均勻擴(kuò)散，保溫時(shí)間應(yīng)控制在60 min左右。

圖3 950 ℃下不同保溫時(shí)間的奧氏體晶粒形貌

圖4 950 ℃溫度下奧氏體平均晶粒尺寸隨保溫時(shí)間的變化

3 晶粒長(zhǎng)大模型

在奧氏體化過(guò)程中，加熱溫度和保溫時(shí)間是影響奧氏體晶粒尺寸最主要的2個(gè)因素，同時(shí)初始奧氏體晶粒的大小對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸也有較大影響。因此，研究奧氏體晶粒長(zhǎng)大過(guò)程應(yīng)該綜合考慮加熱溫度、保溫時(shí)間和初始奧氏體晶粒大小的影響。

從圖3和圖4可看出，950 ℃保溫時(shí)間為0的奧氏體晶粒尺寸為20.21 μm，顯然應(yīng)考慮初始奧氏體晶粒大小。將式(2)所示Beck方程進(jìn)行修正，構(gòu)建實(shí)際的等溫奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律的模型：

?0=Kt(3)

式中：為奧氏體晶粒長(zhǎng)大后的平均尺寸，μm；0為初始奧氏體晶粒尺寸，μm；為與溫度有關(guān)的常數(shù)。為與晶界遷移率相關(guān)的系數(shù)，可用Arrhenius方程來(lái)表示[9]：

式中：為與材料有關(guān)的常數(shù)；為晶粒長(zhǎng)大激活能，J/mol；為氣體常數(shù)，8.31 J/(mol·K)；為加熱溫度，K。將式(4)代入式(3)得：

兩邊取對(duì)數(shù)得：

ln(?0)=ln+ln?/(6)

加熱溫度一定時(shí)，將式(6)對(duì)1/求偏導(dǎo)：

由式(7)可知ln(?0)與ln為線性相關(guān)，為直線的斜率。根據(jù)圖4所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到圖5所示ln(?0)與ln的線性擬合直線，斜率的平均值為0.75。

圖5 不同加熱溫度下的ln(?0)?ln線性擬合直線

Fig.5 Linear fitting curve of ln(?0)?lnunder different temperatures

保溫時(shí)間一定時(shí)，將(6)式對(duì)1/求偏導(dǎo)，得：

可見(jiàn)ln(?0)與1/為線性相關(guān)，為直線的斜率。由圖2所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到圖6的ln(?0)與1/的線性擬合直線，的平均值為?3069。由=?/計(jì)算出晶粒長(zhǎng)大激活能=2.55×105J/mol。

將和的值代入式(6)，計(jì)算出不同加熱溫度和保溫時(shí)間下的值，取平均值為2.21×109。從而得出奧氏體晶粒長(zhǎng)大模型為：

圖6 不同保溫時(shí)間下的ln(D?D0)?1/T線性擬合直線

由于奧氏體晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中，加熱溫度達(dá)到950℃左右時(shí)存在晶?？焖匍L(zhǎng)大現(xiàn)象，因此推導(dǎo)出的模型應(yīng)根據(jù)實(shí)際晶粒長(zhǎng)大情況進(jìn)行適當(dāng)修正，以使模型更加準(zhǔn)確。設(shè)加熱溫度在950 ℃以下時(shí)為1=2.21×109，加熱溫度升高到950 ℃以上時(shí)為2，代入式(6)，將ln2與ln?進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得：

ln2=?0.81(lnΔ)2+6.63lnΔ+6.86 (10)

式中：Δ為保溫溫度與晶粒開(kāi)始快速長(zhǎng)大的溫度(取950 ℃)的差值，修正后的奧氏體晶粒長(zhǎng)大模型為：

其中：1=2.21×109(＜950℃)；2=exp[?0.81(lnΔ)2+6.63lnΔ+6.86] (≥950℃)。

圖7所示為用修正后的奧氏體晶粒長(zhǎng)大模型計(jì)算的晶粒尺寸與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

圖7 模型計(jì)算的晶粒尺寸與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4 結(jié)論

1) 保溫時(shí)間一定時(shí)，隨加熱溫度升高，35CrMo鋼的奧氏體晶粒尺寸呈指數(shù)長(zhǎng)大，35CrMo鋼的奧氏體晶粒粗化開(kāi)始溫度為950 ℃。

2) 加熱溫度一定時(shí)，35CrMo鋼奧氏體晶粒尺寸隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)近似呈拋物線長(zhǎng)大，但保溫時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響遠(yuǎn)小于溫度的影響。為獲得大小均勻的奧氏體晶粒，保溫時(shí)間應(yīng)控制在60 min左右。

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(編輯 湯金芝)

Austenite grain growth behavior of 35CrMo steel during heating process of isothermal forging

HUANG Yuanchun1, 2, 3, HUANG Yutian2, XIAO Zhengbing3, WANG Yejun2, XU Tiancheng2, LI Wenjing2

(1. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing,Central South University, Changsha 410083, China;2. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China;3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The 35CrMo steel was austenitized at different heating temperature and holding time by using of orthogonal experiment method. The effects of heating temperature and holding time on average austenite grain size and the dynamic behavior of austenite grain growth in the 35CrMo steel were studied. The results show that, the austenitic grain size increases with increasing the heating temperature, and the coarsening temperature of austenite grain is 950 ℃. The austenite grain size of 35CrMo steel increases with increasing holding time. The austenite grains grow up rapidly at the initial period, and the growth rate decreases with increasing holding time. The 35CrMo austenite grain growth model has been deducted by considering the influence of the heating temperature, holding timeand the initial of austenite grain size. And the results of the model are in basic agreement with the experimental results.

orthogonal experiment; 35CrMo steel; austenitizing; grain growth model; heating temperature; holding time

TG161

A

1673?0224(2016)04?645?07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB046702)

2015?09?09；

2015?11?05

黃元春，教授。電話：13507315123；E-mail: science@csu.edu.cn