热变形条件对高锰钢组织与性能的影响

赵奕 朱晶 张亚龙 乔军

辽宁科技大学 辽宁 鞍山 114051

随着我国工业的快速发展，钢材的技术投入与研发、生产力度均不断加大。其中，某些特殊场所需要用到特厚钢板进行作业，所以必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蚀等[1-4]。由于热变形过程的工艺参数控制不当而形成的异常晶粒组织，大多无法通过后续的固溶热处理进行调整以满足工作要求。因此，为获得理想的终态晶粒组织以满足构件的不同使用需求，需对热变形工艺进行精确控制[5]。高锰钢因其密度低、具有良好的抗冲击性能、抗氧化性及耐蚀性等优点，可以很好的满足特厚板的要求。本研究通过对高锰钢进行热变形实验，研究其在一定压缩速率和一定温度下，组织与性能的变化规律，探讨高锰钢特厚板坯生产过程中，热压缩形变对组织与性能的影响，为实际生产提供必要的参考。

1 实验内容和方法

1.1 实验材料

本文所用实验材料为含Mn 量为25%的高锰钢，其化学成分如下表1 所示。

表1 实验材料化学成分表

1.2 热模拟试验方法及设备

利用Gleeble-2000 热模拟试验机将高锰钢在不同温度(900℃、1000℃、1100℃、1200℃)和不同的压缩速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s) 下进行压缩实验，并记录典型应力应变曲线。采用Axio Vert.A1 蔡司显微镜进行金相试样的显微组织观察。

2 实验结果分析与讨论

2.1 高锰钢热变形应力-应变曲线

对高锰钢打磨抛光后的试样进行热模拟压缩试验，根据热压缩试验结果,将同一温度不同应变速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s) 和不同温度(900℃、1000℃、1100℃、1200℃)同一速率下的载荷行程曲线转化为应力应变曲线[5]。图1 显示了高锰钢在同一温度和不同的压缩速率(0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、10mm/s)下的典型应力应变曲线。

图1 不同温度下的应力应变曲线

在900℃时，在相同的应变情况下，0.01mm/s 的压缩速度时，所需的应力最小，接着依次是压缩速度为0.1mm/s、1mm/s，在10mm/s 时所需的应力最大。在1000℃、1100℃、1200℃时，在相同的应变情况下，仍然是0.01mm/s 时所需的应力最小，然后应力由小到大依次是压缩速度0.1mm/s、1mm/s、10mm/s。

在相同的压缩速度0.01mm/s 时，在相同的应变下，温度为1200℃所需的应力最小，接着所需应力由小到大依次是温度为1100℃、1000℃以及900℃。在压缩速度为0.1mm/s、1mm/s、10mm/s 时，在相同的应变情况下，仍然是1200℃所需的应力最小，后面应力由小到大依次是温度为1100℃、1000℃以及900℃。由图2 可以看出，随着形变温度的提高，变形抗力在也在提高[6]。应力随应变的增加而增加，当应变上升到一定程度的时,流动应力趋于稳定状态，而且在不同的温度下流动应力曲线的演化遵循相同的趋势,即在初始阶段增加，然后缓慢减小或平稳，初始应力的增加是由位错缠结以及变形梯度的应变能量增加引起的。

图2 不同压缩速度下的应力应变曲线

2.2 高锰钢热变形后的显微结构

对进行热模拟压缩试验结束后的试样在Axio Vert.A1 蔡司显微镜进行金相显微组织观察，可以得到在不同温度以及压缩速率下的金相组织。如下图3、图4、图5、图6 所示。

图3 试样在900℃下压缩速率为(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 时的金相组织

图4 试样在1000℃下压缩速率为(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 时的金相组织

图5 试样在1100℃下压缩速率为(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 时的金相组织

图6 试样在1200℃下压缩速率为(a)0.01mm/s、(b)0.1mm/s、(c)1mm/s、(d)10mm/s 时的金相组织

如图3 和 图4 所示，在相同温度的情况下，压缩速率越大，试样的晶粒会逐渐的变小，但是在相同温度下晶粒大小的变化不是很大，晶粒大小通常在300μm左右，结合图3 和图4 整体情况来看，在900℃和1000℃下晶粒都比较大，结合应力应变曲线（图1，a 和b）来观察，此时应力应变曲线比较平缓，晶粒较大，在相同应变下所需应力比较小。

如图5 和图6 所示，在相同的温度下，压缩速率越大，试样的晶粒会逐渐变小，但在相同温度下晶粒大小的变化仍然不是很大。在1100℃和1200℃下的晶粒要明显比900℃和1000℃下的晶粒要小，晶粒大小在40μm左右，结合应力应变曲线（图1，c 和d）来看，此时应力应变曲线较陡，晶粒较小，在相同应变下所需应力较大，但在高温高压缩速率下，由于晶粒较小且比较均匀，所以此时应力应变曲线更加陡峭。在相同的压缩速率下，温度越高，试样的晶粒也会逐渐变小，但是这时候的晶粒大小变化较温度而言变化较大，晶粒大小会从300μm 降到40μm 左右，如图4（c）在1000℃下1mm/s 的压缩速率和图6（c）在1200℃下1mm/s 的压缩速率时，结合应力应变曲线图2（c）,压缩曲线由平缓变得陡峭，这就是晶粒变化较大造成的。实验表明，晶粒尺寸会随着变形温度的升高以及变形速率的增大而减小，试样会在高温低压缩速率的变形条件下倾向于发生动态回复，晶粒易于粗化:在低温和高应变速率的变形条件下很容易获得精细的动态再结晶晶粒，但动态再结晶倾向于不完全,导致出现混晶组织[7]。图5(b)在1100℃下0.1mm/s 的压缩速率和图6（d）在1200℃下10mm/s 的压缩速率所示。实验结果表明，温度越高，压缩速率越大，因为发生了再结晶，晶粒就会越来越均匀并且细小。

3 结论

实验表明，在相同的应变下，高锰钢温度为900℃所需的应力最大。随着形变温度的下降，变形抗力也在提高。当温度在1200℃、压缩速率在10mm/s 时，压缩后的厚铸坯晶粒越均匀并且细小。结合高锰钢的应力-应变曲线和微观结构来看，高锰钢的晶粒越粗大，相同应变下所需的应力越小，即压缩时变形越容易，当高锰钢的晶粒越细小时，相同应变下所需的应力越大，也就是压缩时变形越困难。