材料研究学报, 2022, 36(12): 907-918 DOI: 10.11901/1005.3093.2021.505

研究论文

9Mn27Al10Ni3Si低密度钢的高温压缩变形行为及其机制

崔志强, 张宁飞, 王婕, 侯清宇,, 黄贞益,

安徽工业大学冶金工程学院 马鞍山 243002

High Temperature Compression Deformation Behavior of 9Mn27Al10Ni3Si Low Density Steel

CUI Zhiqiang, ZHANG Ningfei, WANG Jie, HOU Qingyu,, HUANG Zhenyi,

School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China

通讯作者: 侯清宇,副教授,houqingyu@ahut.edu.cn,研究方向为金属材料组织和性能;黄贞益,教授,huangzhenyi@ahut.edu.cn,研究方向为金属材料新工艺开发

收稿日期: 2021-09-07   修回日期: 2021-10-25  

基金资助: 安徽省高等学校自然科学研究项目(KJ2019ZD07)

Corresponding authors: HOU Qingyu, Tel: 17375065454, E-mail:houqingyu@ahut.edu.cn;HUANG Zhenyi, Tel: 13955579628, E-mail:huangzhenyi@ahut.edu.cn

Received: 2021-09-07   Revised: 2021-10-25  

Fund supported: University Science Research Project of Anhui Province(KJ2019ZD07)

作者简介 About authors

崔志强,男,1998年生,硕士生

摘要

使用Gleeble热模拟试验机、XRD、OM、SEM和TEM等手段研究了9Mn27Al10Ni3Si低密度钢在850~1050℃和0.01~5 s-1条件下的热压缩变形特征及其机制。结果表明,对这种钢在850~950℃进行低应变速率(0.01~1 s-1)热压缩时,κ-碳化物的析出和粗化以及在热压缩过程中摩擦系数的增大使其应变达到临界值后流变应力明显增大;随着应变速率的提高,实验钢的孪生显著增强,显著加快了奥氏体的动态再结晶过程,使其在高应变速率热压缩时动态再结晶的程度比低应变速率压缩时更为显著。再结晶的软化作用,使上述流变应力异常增大的现象逐渐减弱甚至消失。

关键词: 金属材料; 低密度钢; 动态再结晶; 变形机制; 孪生; κ-碳化物

Abstract

The deformation characteristics of 9Mn27Al10Ni3Si low density steel at 850~1050℃ with strain rate within the range of 0.01~5 s-1 were investigated by using Gleeble thermal simulator, XRD, OM, SEM and TEM. The results show that when the steel is hot compressed at 850~950℃ with low strain rate (0.01~1 s-1), the flow stress of the steel increases obviously as the strain reaches a certain critical value, which may be due to the precipitation and coarsening of κ-carbides, and the increase of friction coefficient of the steel during hot compression. With the increase of strain rate, the number of twins increases significantly, which can speed up the process of dynamic recrystallization of austenite, however, during thermal compression by high strain rate, the dynamic recrystallization process is more significant rather than by low strain rate. Due to the softening effect of recrystallization, the abnormal rise of flow stress gradually weakens or even disappears.

Keywords: metallic materials; low-density steel; dynamic recrystallization; deformation mechanism; twin; κ-carbides

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本文引用格式

崔志强, 张宁飞, 王婕, 侯清宇, 黄贞益. 9Mn27Al10Ni3Si低密度钢的高温压缩变形行为及其机制[J]. 材料研究学报, 2022, 36(12): 907-918 DOI:10.11901/1005.3093.2021.505

CUI Zhiqiang, ZHANG Ningfei, WANG Jie, HOU Qingyu, HUANG Zhenyi. High Temperature Compression Deformation Behavior of 9Mn27Al10Ni3Si Low Density Steel[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2022, 36(12): 907-918 DOI:10.11901/1005.3093.2021.505

为了实现节能减排,提出了汽车轻量化的设计理念[1~3]。低密度汽车用钢具有良好的减重效果和优异强塑性组合而得以广泛研究[4]。低密度钢含有大量密度低于Fe元素的合金元素[5](如Mn、Al和Si等元素),这些元素的添加影响其可加工性[6~8]

Abedi H R等[9]和Kalantari A R等[10]发现,在低应变速率条件下低密度钢的热塑性变形的主要恢复机制是动态回复,而在高应变速率条件下较高的形变储存能使动态再结晶更为明显。同时,在热塑性变形过程中应变诱导相变产生的晶粒细化和流变应力的软化行为极为显著,堆垛层错能影响动态回复进而影响动态再结晶[10]。这些因素增大了研究低密度钢动态再结晶行为的难度。Li Y P等[7]发现,低密度钢在低应变速率条件下热压缩应变达到一定的临界值后,其变形流变应力出现明显的上升趋势。钢铁材料高温压缩时加工硬化和动态回复以及动态再结晶软化之间的平衡,使其流变应力达到峰值后逐渐减小而后趋于平缓[11, 12]。其原因是,应变到达试样表面与砧面接触面积增大使摩擦系数提高,然而修正流变应力曲线也不能完全将其消除[13,14]

研究表明,第二相的形貌、大小及其与基体间的共格都显著影响合金的变形机制[15, 16]。Zambrano O A等[17]和Eskandari M等[18]发现,低密度钢高温压缩时κ-碳化物的析出引起堆垛层错能局部降低,有利于孪生的发生。Si元素的添加能促进κ-碳化物的析出和加工硬化[19],并抑制β-Mn脆性相的析出[20]。晶界处细小的κ-碳化物能提高低密度钢的强度[21~23],但是第二相的析出阻碍晶界迁移使动态再结晶的形核和长大受到抑制[24]。此外,在热压缩过程中出现的孪生现象有利于钢铁动态再结晶的形核[24~26],而再结晶晶界处的孪生有利于动态再结晶长大[27]

低密度钢有良好的应用前景[5, 28],但是其塑性变形特征及变形机制还需要深入研究。双相钢热压缩时γ/α两相间的塑性差异不利于热加工,甚至使微裂纹沿两相界面延伸[11, 16, 29]。鉴于此,本文设计一种高强度奥氏体基低密度钢(抗拉强度:1188 MPa,屈服强度:1146 MPa,断后延伸率:24.98%),深入研究其动态再结晶特征、流变应力异常增大、第二相析出和孪生现象对奥氏体动态再结晶和变形机制的影响。

1 实验方法

热压缩试验用钢为Fe-26.64Mn-9.78Al-2.88Ni-1.3Si-0.9C和9Mn27Al10Ni3Si(质量分数,%)。用真空感应炉熔炼-铸造后锻造成板坯(初锻温度1150℃,道次锻造比大于3,终锻温度≥850℃),使用QT5635线切割机从水冷后的板坯切割出直径为8 mm长度为15 mm的热压缩试样。在Gleeble-3500热模拟机上进行单道次压缩实验(实验工艺:加热至1250℃均质3 min,以30℃/s的冷却速度分别冷却到850、900、950、1000、1050℃后,在每个温度下分别以0.01、0.1、1、5 s-1的变形速率进行恒温热压缩实验),工程应变均为0.61(真应变为0.92),热压缩结束后将试样水淬。用线切割机沿热压缩试样的中心部位切开,制成金相试样;将其打磨-抛光后用3.5%的硝酸酒精腐蚀,用BX51型荧光显微镜和SNE-3200NB扫描电镜观察试验钢的微观组织,并取点进行EDS分析;然后将试样切割成直径为3 mm的圆形薄片,打磨-双喷减薄后用JEM-2100F场发射透射电子显微镜分析实验钢的微观结构。

2 实验结果和讨论

2.1 实验钢锻态的组织结构特征

实验钢高温压缩前(锻态)的典型显微组织形貌,如图1a所示。可以看出,其显微组织以奥氏体为主,使用Image-Pro Plus 6.0软件计算出其平均晶粒尺寸约为45.2 μm。如图1d所示,其晶粒尺寸主要集中在5~20 μm。奥氏体的晶粒尺寸极不均匀,其原因是实验钢的终锻温度较低,锻造后水冷是奥氏体晶粒再结晶不完全以及锻造不均匀性。

图1

图1   实验钢锻态的显微组织

Fig.1   Microstructure morphology of experimental steel in forging state (a) forged microstructure, (b) distribution of austen-ite grain size, (c) analysis results of XRD, (d) phase equilibrium diagram


表1列出了图1c中XRD谱的定量分析结果。由于Mn、Ni元素的大量添加,实验钢的奥氏体组织稳定性极高。这种钢铸态的铁素体含量仅为3.7%(原子分数),其晶粒尺寸比奥氏体晶粒细小得多。此外,在实验钢的XRD谱中还出现了κ-碳化物衍射峰,但是在图1a的金相照片中并未发现κ-碳化物。其原因是,晶粒内纳米级的κ-碳化物和晶界处析出的κ-碳化物晶粒尺寸极为细小。

表1   9Mn27Al10Ni3Si奥氏体基低密度钢的室温相组成(原子分数, %)

Table 1  Phase composition characteristics of austenite based low density steel at room temperature of 9Mn27Al10Ni3Si (atomic fraction, %)

Phaseγδκ-carbides
Content80.53.715.8

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图1d给出了使用Factsage7.3软件绘制的实验钢平衡图。实验钢为γ+δ双相钢,其κ-碳化物的析出温度约962℃,γα相变温度约964℃,β-Mn脆性相的析出温度约642℃。

2.2 高温压缩的塑性变形特征

实验钢的热压缩流变应力曲线,如图2所示。可以看出,热压缩的初始阶段均应力迅速提升;达到临界值后流变应力曲线出现一个类似于“屈服点”的应力峰(如图2黑色箭头所示)。Abedi H R等[9]证实,奥氏体晶粒的硬度比铁素体更高,使奥氏体晶粒变形受阻,使应力集中于铁素体晶粒,奥氏体开始变形后流变应力增大而产生了屈服现象。如图2c和d中的黑色椭圆框所示,实验钢在900℃高应变速率热压缩时“屈服点”现象减弱,在850℃时“屈服点”现象消失。其原因是,在低温、高应变速率条件下低密度钢的加工硬化更加显著,屈服现象与加工硬化重合而使该现象不明显。

图2

图2   实验钢的热压缩流变应力曲线

Fig.2   Hot compression flow stress curve of experimental steel


流变应力越过“屈服点”后发生塑性变形,其流变应力趋于平缓;应力达到峰值后奥氏体开始动态再结晶,其软化作用使流变应力达到峰值后减小[30]。在应变速率较高时流变应力的降低不显著,动态再结晶的软化效果比低应变速率热压缩时减弱,这是在高应变速率条件下较强的加工硬化所致[31, 32]。随着应变的继续实验钢在850~1050℃、0.01~1 s-1条件下热压缩的应变达到一定的临界值后流变应力呈现出明显的上升趋势。随着应变速率的提高,该现象逐渐消失。

Li Y P等[13]和Rasti J等[14]提出,上述流变应力异常增大的原因是,应变的增大使砧面与试样表面的接触面积增大而使其摩擦系数增大。材料热压缩过程中的绝热温升,也影响流变应力曲线的特征。本文作者使用Ebrahimi等[33]和Devadas等[34]提出的模型对实验钢在0.01 s-1条件下热压缩时摩擦和温度所导致流变应力曲线的偏差进行了修正(修正公式分别见 公式(1)和(2)),如图3所示。可以看出,流变应力曲线经摩擦修正后上述现象随着温度的增加而减弱,在950℃热压缩时消失,而在1000~1050℃热压缩时该现象再次出现。显然,上述现象并不只受热压缩过程中摩擦系数的影响。

图3

图3   实验钢在0.01 s-1条件下热压缩流变应力曲线的修正

Fig.3   Correction of hot compression rheological stress curve of experimental steel under the condition of 0.01 s-1 (a) before and after friction correction, (b) before and after temperature correction (imaginary point line is the corrected curve)


摩擦修正公式为

σF=C22(eC-C-1)σ0

式中C=2μR0H0μ=Rb/H43-2b/(33)R=R0H0Hb=4RRHHR=Rm-3R2-2Rm2σF为摩擦修正后的流变应力(MPa),σ0为修正前的流变应力(MPa),R0为试样的原始半径(mm),H0为试样的原始高度(mm),μ为摩擦系数,R为变形后试样的鼓形与试样表面的半径差(mm,R=Rm-Rt=Rm-3R2-2Rm2)H为试样变形前后的高度差(mm,H=H0-H)

变形热修正公式为

σT=σF+σ=σF+QRnα1T0-1T0+T

式中σT为变形热修正后的流变应力(MPa);σ变形热引起的应力差(MPa);Q为变形激活能(kJ/mol)R为理想气体常数(8.314 J/(molK))nα为材料参数;T0为设定的变形温度(K);T为绝热温升(T=0.95ηρCp0εσdε)Cp为材料的比热(取0.46 J/(kgK))ρ6.26 g/cm3η为热效率参数(η=0.95, (应变速率ε˙>1 s-1))

图4a所示,实验钢在850℃、0.01 s-1条件下热压缩时只在部分区域发生奥氏体动态再结晶,奥氏体晶粒内发生极为显著的加工硬化(如图4a白色箭头所示的奥氏体未再结晶区的局部变形带)。如图4a~c所示,实验钢在850℃、0.01~5 s-1条件下热压缩时均发生部分动态再结晶,而且随着应变速率的提高动态再结晶的体积分数随之显著提高;此外,在0.01~5 s-1条件下热压缩时原始晶粒的晶界处均出现大量的链状组织。在钢铁的动态再结晶过程中,当原始晶界完全被新晶粒(即形成链状组织)覆盖时,再结晶晶粒的形核和长大必须由细小的再结晶晶粒的晶界处触发。而低密度钢的应变温度较低时其堆垛层错能较低[35],位错的滑移和交滑移受到抑制,位错在晶界处的堆积能促进动态再结晶的过程[24]。而实验钢在850℃、0.01~1 s-1条件下热压缩时出现的链状组织和局部变形带表明,其动态再结晶和动态回复受到显著抑制,从而使流变应力出现上述的异常增大。

图4

图4   实验钢在850℃不同应变速率条件下热压缩后的显微组织

Fig.4   Microstructure morphologies after hot compression of experimental steel under the condition of different strain rates at 850℃ (DRX: dynamic recrystallization) (a) 0.01 s-1 (ε=0.9), (b) 0.1 s-1 (ε=0.9), (c) 1 s-1 (ε=0.9), (d) 5 s-1 (ε=0.67)


实验钢在850℃、0.01 s-1和5 s-1条件下热压缩动态再结晶区域的微观形貌,如图4所示。可以看出,低应变速率热压缩时奥氏体动态再结晶亚晶粒的晶界处发现大量κ-碳化物的粗化和析出。κ-碳化物的粗化和析出与奥氏体动态再结晶相互竞争,奥氏体的动态再结晶受阻[36, 37],导致流变应力异常增大。

实验钢的形变储存能随着应变速率的提高而增加,奥氏体动态再结晶的驱动力增加;同时,κ-碳化物没有充足的时间粗化和析出[16];从而促进了动态再结晶晶粒形核,使奥氏体动态再结晶晶粒的数量增加和动态再结晶的软化作用增强,上述流变应力异常增大的现象逐渐消失。

此外,如图4a和5a所示,实验钢在850℃低应变速率热压缩时奥氏体晶界处和奥氏体亚动态再结晶晶粒的晶界处出现少量的铁素体晶粒沿奥氏体晶界粗化为棒状和尖锐的多边形形貌,使奥氏体动态再结晶晶粒的生长受阻。如图3图4b所示,随着应变速率的提高该现象逐渐消失。这表明,铁素体晶粒的粗化也是流变应力出现异常上升的原因。

图5

图5   实验钢在850℃热压缩后的SEM照片

Fig.5   SEM image after hot compression of experimental steel under the condition of 850℃ and (a) 0.01 s-1 (ε=0.9), (b) 0.1 s-1 (ε=0.67)


图3a和图6所示,在0.01 s-1条件下热压缩时,随着变形温度的提高实验钢再结晶的驱动力增大,使奥氏体动态再结晶晶粒的数量显著增加和尺寸显著增大。如图6b和c所示,在1000~1050℃热压缩时变形温度较高使奥氏体动态再结晶的驱动力较大,而且热压缩温度高于κ-碳化物析出的温度使得在热压缩过程中没有第二相的动态析出,从而使实验钢的热压缩组织为完全动态再结晶。显然,实验钢在1000~1050℃、0.01~1 s-1条件下热压缩时流变应力的上述异常增大与κ-碳化物的析出无关。其原因可能是,在较高温度热压缩时因κ-碳化物固溶到奥氏体晶粒溶质原子和位错的交互作用而发生固溶强化,使实验钢的应变达到一定的临界值后流变应力轻微增大。

图6

图6   实验钢在0.01 s-1条件下热压缩后的金相组织

Fig.6   Metallographic structure of experimental steel after hot compression under the condition of 0.01 s-1 and (a) 900℃, (b) 950℃, (c) 1000℃, (d) 1050℃


此外,在850℃、1~5 s-1条件下热压缩实验钢的峰值应力随着应变速率的提高而降低,其异常的流变应力曲线如图2c和d所示,由应力-应变曲线得出的应变硬化率(θ=dσ/dε)与σ的关系如图7所示,θ-σ曲线的拐点(即∂(-∂θ/∂σ)/∂σ=0)对应动态再结晶的开始。如图7所示,实验钢在850℃高应变速率(5 s-1)条件下热压缩时大量的位错塞积使其动态再结晶启动的临界应力小于1 s-1热压缩。动态再结晶的软化作用使在850℃、5 s-1条件下热压缩的应变硬化率迅速降低甚至低于1 s-1热压缩,从而使峰值应力低于在1 s-1条件下热压缩时的峰值应力。

图7

图7   实验钢在850℃、1~5 s-1条件下热压缩后的θ-σ和(-dθ/dσ)-σ曲线

Fig.7   θ-σ and (-dθ/dσ)-σ curve of experimental steel after hot compression under the condition of 850℃ and 1~5 s-1


2.3 高温压缩变形机制

图8a和b所示,实验钢在850℃、0.01 s-1条件下热压缩时的显微组织以粗大的为奥氏体再结晶晶粒为主,在晶界部分区域出现少量细小的奥氏体再结晶亚晶粒,亚晶中大量的位错和缺陷聚集。在未再结晶的奥氏体晶界处,出现少量的退火孪晶和形变孪晶以及纳米级的台阶状结构。Sang D L等[25]研究发现,纳米级的台阶状结构由形变孪晶和位错的相互作用演化而成,台阶状结构为新晶粒提供了形核的位置,促进了奥氏体动态再结晶的发生(如图8c晶粒①和②所示)。

图8

图8   实验钢在850℃热压缩后的TEM组织

Fig.8   TEM microstructure after hot compression of experimental steel at 850℃ and (a~c) 0.01 s-1 (ε=0.9), (d~f) 5 s-1 (ε=0.67)


图8d和e所示,由于高应变速率有利于孪生的发生[25],实验钢在850℃、5 s-1条件下热压缩时在未再结晶的奥氏体晶界处出现了大量的形变孪晶,没有出现其他的变形组织。图8d表明,变形孪晶的左侧为形变孪晶与位错相互作用演化而成的台阶状结构,为奥氏体动态再结晶提供了形核的位置[38]图8e给出了孪晶的孪晶界演变为图8f 所示的“锯齿状”晶界,这是奥氏体不连续动态再结晶开始的标志[24]。传统奥氏体合金中的再结晶晶粒主要通过原始奥氏体晶界弓出成核,而孪晶与位错相互作用可促进晶界弓出[15, 26]。显然,孪生现象对奥氏体基低密度钢动态再结晶的影响极为强烈。

实验钢在850℃热压缩时的变形机制以孪生为主,因为在较低的温度下实验钢的堆垛层错能较低,实验钢锻造后没有经过均质处理以及κ-碳化物的粗化与析出导致Mn、Al等元素的偏析(表2)。这些因素使奥氏体晶粒内的层错能局部降低,促进孪生现象的发生[17, 18, 39]

表2   图6和图7中TEM图像各点的EDS分析

Table 2  EDS analysis of TEM images in Fig.6 and Fig.7

ElementPoint 1Point 2Point 3Point 4Point 5Point 6
Fe65.11664.41663.05754.59953.36054.067
Mn17.91726.35825.77629.34830.95130.342
Al10.0566.4227.09015.38615.11014.937
Ni5.0181.8842.3880.4570.4920.484
Si1.8910.9181.6870.2080.0860.167
Phaseγγγκ-carbideκ-carbideκ-carbide

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随着应变速率的提高,形变储存能和孪生现象也显著增加。同时,高应变速率加速了位错运动,使实验钢动态再结晶开启的临界应变值降低[31, 40]。因此,实验钢在850℃高应变速率条件下热压缩时奥氏体动态再结晶比在低应变速率条件下有更多的形核位置和更高的形核速率。

在钢铁的动态再结晶过程中形成的链状组织,使动态再结晶的形核和长大受到抑制。上述孪生现象表明,实验钢的堆垛层错能较低,而低层错能材料热塑性变形时位错的滑移和交滑移受到抑制,位错在晶界处的堆积促进了动态再结晶的过程[24]。而实验钢在850℃、0.01~1 s-1条件下热压缩时动态再结晶和动态回复均受到显著抑制,是κ-碳化物与奥氏体动态再结晶竞争的结果。

在850℃、0.01 s-1条件下热压缩过程中晶界处κ-碳化物的粗化(图9a颗粒⑥和图9b)和析出(图9a颗粒⑤)极大地抑制奥氏体晶界的迁移,消耗了大量的形变储存能,从而抑制了奥氏体晶粒动态再结晶的发生[16, 41]。前文指出,在低应变速率热压缩时孪生比在高应变速率条件下显著减少,使其奥氏体晶界弓出比在高应变速率条件下显著减少,从而极大的减少了低应变速率热压缩时奥氏体动态再结晶的发生。

图9

图9   实验钢在850℃、0.01 s-1 (ε=0.9)条件下热压缩后的TEM组织

Fig.9   TEM microstructure after hot compression of experimental steel under the conditions of 850℃ and 0.01 s-1 (ε=0.9) (a, b) intergranular κ-carbides, (c) intracrystalline κ-carbides, (d) deformation band


在850℃、0.01 s-1条件下热压缩过程中晶粒内κ-碳化物的调幅分解析出(图9c)消耗了奥氏体晶粒内大量的形变储存能,极大地阻碍了奥氏体再结晶晶粒的生长。如表3所示,由于奥氏体晶界处和晶粒内κ-碳化物的粗化和析出,实验钢在850℃、0.01~1 s-1条件下热压缩时奥氏体动态再结晶的平均晶粒尺寸均较低,在高应变速率条件下热压缩时较高的形变存储能使奥氏体动态再结晶的临界应变较小。同时,κ-碳化物粗化和析出的现象减弱[16]促进了奥氏体再结晶晶粒的形核和长大。由于实验钢在850℃高应变速率条件下热压缩时孪生现象更为显著,而κ-碳化物动态析出和粗化的现象减弱,使κ-碳化物对动态再结晶的抑制减弱以及大量的孪生现象促进动态再结晶的形核和长大,从而在高应变速率条件下热压缩时奥氏体动态再结晶比在低应变速率条件下更为显著。

表3   实验钢在850℃热压缩时奥氏体再结晶晶粒的平均尺寸

Table 3  Average austenite recrystallization grain size of ex-perimental steel during hot compression at 850℃

Strain rate/s-10.010.115
Average grain size/μm10.289.669.0012.13
Time of hot compression/s90910.3

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图9b所示,在850℃、0.01 s-1条件下热压缩时奥氏体晶界棱角处出现脆性的尖锐的多边形κ-碳化物。其原因是,奥氏体晶界棱角处的缺陷和位错的聚集提高了该区域Al、C原子的扩散速率,使κ-碳化物沿着晶界粗化成尖锐的多边形形貌;如图9b虚线框所示,奥氏体和黑色的多边形κ-碳化物交界处微裂纹萌生。显然,这种尖锐的多边形κ-碳化物对低密度钢的热加工性能有极恶劣的影响。

图9d所示,实验钢在850℃、0.01 s-1条件下热压缩时在奥氏体晶粒内出现少量微带,其特征是在微带附近的位错密度较高。微带结构为合金原子的扩散提供了通道,从而极大地促进了κ-碳化物的粗化[16, 17]。此外,晶粒内κ-碳化物的析出显著提高了奥氏体晶粒的硬度[17, 42]。显然,晶粒内κ-碳化物的动态析出使奥氏体晶粒的硬度提高以及晶界处κ-碳化物的粗化和析出对奥氏体动态再结晶的抑制和奥氏体晶界的钉扎,使实验钢在850~950℃、0.01~1 s-1条件下热压缩时流变应力异常增大。随着应变速率的提高实验钢孪生现象的增加和κ-碳化物粗化和析出减弱,促进了奥氏体动态再结晶的形核和长大,从而使奥氏体动态再结晶的体积分数增大以及上述流变应力异常增大现象逐渐减弱甚至消失。

随着热压缩温度的提高实验钢的堆垛层错能显著增加[43],孪生现象也逐渐消失。如图10所示,实验钢在1050℃、5 s-1条件下热压缩时孪生现象消失,其变形组织以形变带、胞状组织和位错为主。如图10b所示,胞状组织由位错的缠结形成[44],随着变形的继续胞状组织逐渐转变为具有低位错密度的亚晶粒。这是连续动态再结晶的标志[45]

图10

图10   实验钢在1050℃、5 s-1 (ε=0.7)条件下热压缩后的TEM组织

Fig.10   TEM microstructure after hot compression of experimental steel under the conditions of 1050℃ and 5 s-1 (ε=0.7) (a) deformation band and substructure, (b) cellular substructure and dislocation tangle


2.4 依据第一性原理的研究

前文提到,除了κ-碳化物的粗化与析出能显著增加使流变应力产生的应变硬化率影响流变应力异常增大外,摩擦系数的增大也是流变应力异常增大的重要原因。因此,本文依据第一性原理进行了研究。如图11a所示,本文设定修正前某一应变的流变应力与流变应力异常增大前的应力之间的差值作为摩擦系数和κ-碳化物对上述现象的总影响(∆σb),修正后某一应变的流变应力与流变应力异常增大前的应力之间的差值作为κ-碳化物对上述现象的影响(∆σa),κ-碳化物对其影响的比例为η(η=∆σa/∆σb)

图11

图11   第一性原理研究示意图和κ-碳化物对流变应力异常增大的影响

Fig.11   Schematic diagram of first principle research (a) and effect of κ-carbides on abnormal rise of flow stress (b)


依据第一性原理的研究结果表明:在较高温度热压缩时奥氏体动态再结晶与κ-碳化物的竞争使κ-碳化物的析出受到一定的抑制,从而对流变应力异常增大的影响较小,主要的影响因素是砧板与试样表面的摩擦系数。随着温度的降低κ-碳化物析出增强,因此对流变应力异常增大的影响提高,并随着应变的增大其影响比例随之提高。显然,实验钢在850℃、0.01 s-1条件下热压缩时流变应力异常增大主要受κ-碳化物粗化和析出的影响;在850℃、0.1~1 s-1条件下热压缩时流变应力异常增大主要受摩擦系数的影响;这表明,在合金材料热压缩过程中流变应力达到一定的临界值后出现异常增大不仅与摩擦系数有关,还与第二相的析出有关,且两者对流变应力的影响都不能忽视。

3 结论

(1) 9Mn27Al10Ni3Si奥氏体基低密度钢在850℃、0.01~5 s-1条件下热压缩过程中高应变速率热压缩时孪生现象对奥氏体动态再结晶的促进、低应变速率热压缩时κ-碳化物的析出和粗化对奥氏体动态再结晶的抑制,使其动态再结晶的体积分数随着应变速率的提高而增大。

(2) 实验钢在850~950℃、0.01~1 s-1条件下热压缩过程中摩擦系数的增大和κ-碳化物的析出和粗化使其应变硬化率显著增加,应变达到临界值后流变应力呈增大的趋势,随着应变速率的提高κ-碳化物的析出减弱,使上述现象逐渐减弱甚至消失。随着热压缩温度的降低κ-碳化物对流变应力异常增大的影响显著提高,在850℃、0.01 s-1条件下热压缩时流变应力异常增大主要受κ-碳化物的影响。

(3) 实验钢在850℃、5 s-1条件下热压缩时大量的位错塞积使其动态再结晶启动的临界应力值小于1 s-1,动态再结晶的软化作用使应变硬化率迅速降低甚至低于1 s-1,从而使峰值应力低于1 s-1

(4) 实验钢在850℃、0.01 s-1条件下热压缩时奥氏体晶界棱角处的κ-碳化物沿晶界粗化为尖锐的多边形形貌,奥氏体晶粒与尖锐的多边形κ-碳化物交界处微裂纹的萌生对低密度钢的热加工性能有不利的影响。

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