中锰钢静态保温和热压缩过程中铁素体转变规律_刘静.pdf
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1、第4 1卷 第3期V o l.4 1 N o.3材 料 科 学 与 工 程 学 报J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g总第2 0 3期J u n.2 0 2 3文章编号:1 6 7 3-2 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 4 3 5-0 6中锰钢静态保温和热压缩过程中铁素体转变规律刘 静1,孙 毅2,张 思2,王 平2(1.东北大学 理学院,辽宁 沈阳1 1 0 0 0 4;2.东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁 沈阳1 1 0 0 0 4)【摘 要】利用热膨胀相变仪、G
2、 l e e b l e热模拟机等设备、采用扫描电镜研究了C-S i-M n-F e系中锰钢在静态保温和热压缩过程中的铁素体转变行为,分析了不同变形条件对于铁素体转变的影响规律。结果表明:M n元素较低的扩散系数和随时间逐渐增加的扩散阻力大大制约了静态保温条件下铁素体的转变速度;而等温变形可以促进铁素体的转变过程,且等轴铁素体成链状分布在原奥氏体晶界周围,其形貌有单层、双层和多层;变形温度越低、应变速率越小、形变量越大,铁素体转变量越大;铁素体在等温变形过程中,其含量逐渐增加,将会显著软化材料组织,降低流变应力。【关键词】中锰钢;形变诱导;铁素体相变;静态保温;热压缩中图分类号:T G 1 4
3、 2.3 3 文献标志码:AD O I:1 0.1 4 1 3 6/j.c n k i.i s s n 1 6 7 3-2 8 1 2.2 0 2 3.0 3.0 1 5F e r r i t eT r a n s f o r m a t i o no fM a n g a n e s eS t e e lD u r i n gH e a tP r e s e r v a t i o na n dT h e r m a lC o m p r e s s i o nL I UJ i n g1,S U NY i2,Z H A N GS i2,WA N GP i n g2(1.S c h o o l
4、 o fN o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 0 0 4,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fE l e c t r o m a g n e t i cP r o c e s s i n go fM a t e r i a l s,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 0 0 4,C h i n a)【A
5、 b s t r a c t】T h e f e r r i t et r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o ro fC-S i-M n-F em e d i u m m a n g a n e s es t e e ld u r i n gs t a t i c i n s u l a t i o na n d t h e r m a l c o m p r e s s i o nw a s s t u d i e db ym e a n so fS E M.T h ee f f e c t so fd i f f e r e n td e f o r
6、 m a t i o nc o n d i t i o n so nt h e f e r r i t et r a n s f o r m a t i o na r ea n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h el o wd i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fM na n dt h ei n c r e a s i n gd i f f u s i o nr e s i s t a n c ew i t ht i m eg r e a t l y r e s t r i c t t h
7、e t r a n s f o r m a t i o n r a t e o f f e r r i t eu n d e r s t a t i c i n s u l a t i o n.I s o t h e r m a l d e f o r m a t i o n c a np r o m o t et h et r a n s f o r m a t i o np r o c e s so f f e r r i t e,a n de q u i a x e df e r r i t ei sd i s t r i b u t e da r o u n dt h eo r i g
8、 i n a la u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r y i nac h a i n.I t ss t r u c t u r ec a nb es i n g l el a y e r,d o u b l el a y e r sa n d m u l t i-l a y e r s.T h el o w e rt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e,t h e s m a l l e r t h e s t r a i n r a t e i s,t h e l a r g e r t h e
9、 d e f o r m a t i o nv a r i a b l e,a n d t h e l a r g e r t h e f e r r i t e t r a n s f o r m a t i o nv a r i a b l e.D u r i n g i s o t h e r m a ld e f o r m a t i o n,t h ec o n t e n to f f e r r i t e i n c r e a s e sg r a d u a l l y,w h i c hw i l l s i g n i f i c a n t l ys o f t e
10、 nt h es t r u c t u r eo f t h em a t e r i a l a n dr e d u c e t h e f l o ws t r e s s.【K e y w o r d s】M e d i u m m a n g a n e s e s t e e l;D e f o r m a t i o n i n d u c t i o n;F e r r i t e t r a n s f o r m a t i o n;S t a t i ci n s u l a t i o n;T h e r m a l c o m p r e s s i o n收稿日期
11、:2 0 2 1-1 1-0 1;修订日期:2 0 2 2-0 2-1 3基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 0 7 1 3 2 2)作者简介:刘 静(1 9 6 5),女,博士,副教授,研究方向:金属材料热处理原理及工艺。E-m a i l:l i u_s y 2 0 0 2 2 0 0 21 6 3.c o m。通信作者:王 平,教授,博士生导师,研究方向:材料半固态加工。E-m a i l:w p i n g e p m.n e u.e d u.c n。1 前 言 热 形 变 诱 导 相 变(w a r m d e f o r m a t i o ni n d u c e dt
12、r a n s f o r m a t i o n,WD I T)是将钢先进行完全奥氏体化预处理,然后立即冷却到两相区或者Ae 1线附近,接着再进行一定量的变形,促使微观结构转变1-8。WD I T工艺采用的是奥氏体正相变原理,避免了长时间退火和繁琐的工艺流程,降低了对于工业设备的要求。目前,有关中锰钢的WD I T工艺在中锰钢逆相变退火、温变形一些方面的研究比较成熟9-1 1,但仍有许多问题需要探索1 2-1 3。本研究以C-S i-M n-F e系中锰钢为研究对象,基于奥氏体向铁素体的相变转变过程在不同阶段存在不同的控制机制、形变工艺对奥氏体向铁素体相变动力学影响的研究以及流变应力的变化等
13、研究成果1 4-1 7,通过静态保温和热压缩手段,研究中锰钢温变形过程中的微观组织构成;研究形变诱导相变和静态保温下铁素体的转变规律。2 实 验 将实验钢按照合金配比装入5 0k g真空感应炉熔炼,待熔化后精炼、脱气,然后在A r气氛保护下浇注成尺寸为1 0 0mm 1 5 0mm的钢锭。再经12 0 0/1 2h均匀化后锻造加工成5 0mm厚钢块,终锻温度不低于8 5 0,随后在8 5 0热轧加工成1 3 mm厚板材,最后加工成尺寸分别为8mm 1 2mm和3mm 1 0mm的实验件,实验钢的化学成分如表1所示。表1 实验钢的化学成分(质量分数,w t%)T a b l e1 C h e m
14、 i c a l c o m p o s i t i o no f e x p e r i m e n t a l s t e e l(m a s s f r a c t i o n,w t%)CM nS iSPF e0.22.9 21.4 50.0 0 20.0 0 0 5B a l.利用L 7 8 R I T A型号热膨胀相变仪进行静态保温 实验:将尺寸为3mm1 0mm试样在8 5 0真空中保温3 0 0s充分奥氏体化,然后在H e气氛保护下将样品迅速冷却至6 0 0,分别保温1 0、1 0 0和10 0 0s,后通入A r快速冷却从而获得高温组织(冷却速率约为1 0 0/s)。采用G
15、l e e b l e3 5 0 0热模拟机进行热压缩实验:将尺寸为8mm1 2mm试样以1 0/s的升温速率加热到8 5 0,保温3 0 0s以达到完全的奥氏体化,接着以1/s的速率降温至形变温度6 0 0、6 4 0、6 6 0及7 0 0,保温3 0s以达到均匀化,然后再分别以0.1、0.0 1、0.0 0 1s-1速率变形2 0%、4 0%和6 0%后立即进行水淬保持高温组织。将静态保温和热压缩试样经镶嵌、研磨、抛光后,用体积分数为3%的硝酸、乙醇混合液腐蚀预处理标准样品。然后,用清水清洗表面,脱脂棉抛光,I n s p e c tF 5 0热场发射扫描电子显微镜(S E M)进行微观
16、组织观察。3 结果与分析3.1 中锰钢在静态保温过程中的铁素体转变 从图1中可以看到,铁素体开始相转变的速度非常快,仅仅1 0s就在马氏体晶界(原奥氏体晶界)处有部分析出,并逐渐向晶粒内部扩展。这可能是高能量的晶界给铁素体相变提供了储存能,同时铁素体形成元素S i的大量加入(1.4 5%)扩大了铁素体相区、促进了铁素体形成的原因。当时间间隔扩大近1 0倍以上时(从1 0 0s到10 0 0s),其铁素体体积 图1 试验钢在6 6 0静态保温不同时间的S EM形貌照片F i g.1 S EMi m a g e sa t 6 6 0s t a t i ch o l d i n gf o rd i
17、f f e r e n t t i m e (a)1 0s;(b)1 0 0s;(c)10 0 0s634材料科学与工程学报2 0 2 3年6月含量变化却并没有同步增加,甚至在其相变10 0 0s时,体积含量仍不高,尚还属于单层结构,不能连成一片。这 与 刚 开 始 较 快 的 孕 育 速 度 形 成 了 鲜 明反差。这是因为M n元素含量小于2%的普碳钢铁素体相变极易发生,而本研究所用的M n含量为3%,在铁素体相变过程中C、M n原子通过铁素体前沿向奥氏体中扩散,C元素的扩散系数较高,静态相变过程中C元素有充足的时间从新生铁素体沿着-相界向奥氏体扩散,容易出现贫C铁素体区和富C奥氏体区,M
18、 n元素的扩散系数很低,铁素体界面推动受到限制,且铁素体的相变过程还会提高原奥氏体中C、M n元素的浓度,加强其稳定性。从而导致中锰钢两相区静态保温过程中铁素体的相转变变得缓慢,以至于远远达不到平衡状态下的体积分数。从图2可见,M n元素在各个配分时间中奥氏体和铁素体界面处峰值都没有太大变化,但是对比1 0到1 0 0s、1 0 0和10 0 0s的移动距离来看,后者的移动距离远没有同步跟上,甚至后者的移动距离还要小于前者移动距离约1倍左右,这说明铁素体的相变速度受到M n元素扩散的制约,随着时间的增加而逐渐减小,以至于在总的时间中体积分数并不高,与上述实验结果相吻合。图2 试验钢在6 6 0
19、静态保温不同时间的M n元素含量分布图F i g.2 D i s t r i b u t i o nd i a g r a mo fM nc o n t e n t a t 6 6 0s t a t i ci n s u l a t i o nf o rd i f f e r e n t t i m e3.2 中锰钢在热压缩过程中铁素体组织转变 从图3 a与图1 c对比中可以看出:热压缩变形的总时间为9 4 6s(其中变形时间9 1 6s,均匀 化时间3 0s)低于静态保温过程的10 0 0s,但其铁素体含量却远远大于静态保温1 0 0 0s的铁素体含量,且相互之间已连成一片,分布在原奥氏体晶
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