模擬金屬塑性大變形時,通常使用圓柱壓縮以及平面應變壓縮熱模擬技術[1-3]。圓柱壓縮試驗比較接近軋制過程,但是由于摩擦力的影響,試樣變形不均勻,出現鼓肚現象,且試樣的變形區較小,限制了隨后的力學性能測試[4]。與圓柱壓縮熱模擬技術相比,平面應變壓縮變形區的應力狀態、金屬流動狀態和熱傳導與軋制更相似,因此平面應變壓縮技術也被用來研究金屬塑性大變形。目前,大多數平面應變壓縮試驗技術只能用來研究材料的顯微組織以及流變應力,很少能實現同時研究試樣的顯微組織和力學性能[5-7]。為實現同時分析材料大變形后的顯微組織與力學性能,進而提高熱模擬分析的效率,大試樣平面應變技術應運而生[8-9]。然而,目前大多數大試樣平面應變技術只局限于特定的儀器,并未在常用的熱模擬試驗機上實現。 

筆者主要針對Thermecmastor型熱模擬試驗機的大試樣平面技術進行研究,通過對儀器的通電加熱和感應加熱等參數進行設置,使大試樣溫度在升溫、保溫和降溫過程中保持相對穩定,滿足大試樣在保溫階段的均溫性要求；并對Q235低碳鋼在Thermecmastor型熱模擬試驗機上壓縮變形區的顯微組織以及其平行試樣的力學性能進行分析,結合平面應變試樣的寬展,探討基于Thermecmastor型熱模擬試驗機的大試樣平面應變技術,為研究鋼鐵等其他材料大試樣平面應變熱模擬方法提供支持。 

1.   試驗材料及方法

試驗材料為Q235低碳鋼,Q235低碳鋼的計算相圖如圖1所示。由圖1可知：Q235低碳鋼的奧氏體轉變溫度為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；隨著溫度的繼續降低,奧氏體發生共析反應,生成珠光體,其相組成為鐵素體和滲碳體（Fe3C）。 

圖  1  Q235低碳鋼的計算相圖

采用Thermecmastor型熱模擬試驗機進行壓縮試驗,試樣的尺寸（長度×寬度×高度,下同）為30 mm× 30 mm× 140 mm。根據圖1的計算相圖,制定了Q235低碳鋼的熱模擬工藝（見圖2）。首先將試樣以20 ℃/s的升溫速率升溫至1 200 ℃,并保溫30 s,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30 s；然后以應變速率為1 s-1進行總形變量50%的3道次壓縮,每道次下壓5 mm；最后以3 ℃/s的降溫速率將奧氏體鋼冷卻到室溫。 

圖  2  平面應變壓縮熱模擬工藝

使用砂紙和拋光機對平面應變試樣進行打磨與拋光,然后使用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液進行腐蝕,腐蝕時間約為50 s。采用光學顯微鏡對平面應變試樣的顯微組織進行分析。使用計算機控制電子萬能拉伸試驗機和沖擊韌性試驗機對平面應變試樣的拉伸性能和沖擊韌性進行測試。依據GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,對直徑為3 mm的棒狀試樣進行拉伸試驗,應變速率為0.001 s-1。沖擊試樣采用尺寸為10 mm× 10 mm× 55 mm的夏比V型缺口標準試樣,依據GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣進行沖擊試驗。 

2.   試驗結果

2.1   大試樣的均溫區

在對試樣進行平面應變壓縮變形時,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、保溫和降溫過程中相對穩定,對Thermecmastor型熱模擬試驗機的儀器參數進行了探索。在升溫、保溫和降溫過程中,主要調整Thermecmastor型熱模擬試驗機通電加熱和感應加熱的檔位。由于試樣的尺寸較大,感應加熱不能夠使試樣按照設定的工藝進行升溫和保溫,因此主要以通電加熱為主,感應加熱為輔,使大試樣溫度在升溫、保溫、降溫的過程中相對穩定。 

為確定大試樣的均溫區,設定的熱模擬工藝如圖3所示,同時對距離中心線左端10 mm和20 mm的溫度進行了測量。由圖3可知：大試樣在升溫階段,以及1 200,1 000,800 ℃保溫階段的溫度相對穩定,中心線與左端10 mm處的溫差約為20 ℃,結合大試樣溫度分布的對稱性,大試樣均溫區尺寸為30 mm× 30 mm× 20 mm,平面應變壓頭半徑為10 mm,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為平面應變壓縮試驗的熱模擬工藝和實際測定溫度曲線。由圖4可知：試樣在升溫、保溫和降溫過程中測定的溫度曲線與工藝設定的溫度曲線基本一致。試樣在升溫、保溫和降溫過程中主要以通電加熱為主,感應加熱為輔。 

圖  4  熱模擬工藝和實際測定溫度曲線

2.2   流變應力-流變應變曲線與相變溫度

材料流變應力曲線是分析金屬材料熱軋或冷軋過程中回復以及再結晶規律的主要依據之一[10-14]。圖5為Q235低碳鋼試樣的流變應力-流變應變曲線。由圖5可知：Q235低碳鋼在經過第二次壓縮后發生了軟化。結合Q235低碳鋼的軟化規律和單道次的應力-應變曲線規律可得,經平面應變壓縮后,奧氏體主要發生了靜態回復和再結晶,直到發生相變生成鐵素體。 

圖  5  平面應變試樣的流變應力-流變應變曲線

圖6為平面應變試樣在升溫和降溫過程中的膨脹曲線。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  平面應變試樣在升溫和降溫過程中的膨脹曲線

2.3   顯微組織與力學性能

經過平面應變試驗后,試樣厚度從30 mm被壓縮至15.2 mm,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較小,應變分布接近于平面應變狀態。因此,Thermecmastor型熱模擬試驗機可以較好地完成金屬材料大試樣平面應變壓縮試驗。 

圖  7  壓縮變形后試樣的宏觀形貌

對壓縮變形后的試樣進行金相檢驗,取樣位置如圖8所示,金相檢驗結果如圖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個區域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）,Ⅰ區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、Ⅲ區和Ⅳ區的組織均為塊狀鐵素體和珠光體,其中Ⅲ區的塊狀鐵素體晶粒尺寸最小；Ⅱ區和Ⅲ區與表面距離相似,冷卻速率相似,然而Ⅲ區的鐵素體晶粒尺寸小于Ⅱ區,主要與Ⅱ區和Ⅲ區的形變量有關。在經過平面應變壓縮后,Ⅱ區和Ⅲ區的奧氏體發生了不同程度的局部變形,形變量越大,形變儲能越高,越有助于再結晶細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為先共析鐵素體形核提供了能量和形核位置,從而細化了鐵素體的晶粒。雖然位置1中Ⅳ區的上端表面與壓頭接觸,摩擦力較大,形變量較小,但Ⅳ區的鐵素體晶粒依然為塊狀鐵素體,主要是因為外端的冷卻速率比心部快。 

圖  8  金相檢驗取樣位置示意

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區的基本一致,位置2下端為魏氏組織,與位置1中的Ⅰ區相似；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。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,局部形變量的變化影響了原奧氏體的晶粒尺寸,進而影響針狀鐵素體的含量。當冷卻速率相似時,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。大試樣經過3道次形變量為50%的平面應變壓縮后,Q235低碳鋼變形中心區域的組織大部分為塊狀鐵素體和珠光體,顯微組織相對均勻。 

對壓縮變形后試樣的力學性能進行測試,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行了兩次相同的平面應變壓縮試驗,制備出兩個平面應變試樣,兩個試樣的抗拉強度分別為463,467 MPa,兩個試樣的沖擊吸收能量分別為175,181 J,兩個平行試樣的力學性能接近,力學性能較穩定。 

3.   結論

（1）通過對Thermecmastor型熱模擬試驗機的參數進行調整,使大試樣溫度在升溫、保溫和降溫過程中相對穩定。大試樣均溫區尺寸為30 mm× 30 mm× 20 mm,溫差為20 ℃,滿足大試樣平面應變壓縮試驗的要求。 

（2）基于平面應變試樣的組織、流變應力-流變應變曲線、相變溫度,確定了Q235低碳鋼變形區的顯微組織演變規律,試樣中間區域的顯微組織相對均勻,為鐵素體和珠光體。 

（3）經平面應變壓縮后,Q235低碳鋼試樣的寬展相對較小,應變分布接近于平面應變狀態,且平行試樣的力學性能較穩定,說明Thermecmastor型熱模擬試驗機的平面應變技術可以較好地模擬Q235低碳鋼壓縮變形時的平面應變狀態。可直接對壓縮后的試樣進行拉伸和沖擊試驗,實現同時分析鋼鐵材料顯微組織與力學性能。

文章來源——材料與測試網