23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究.pdf

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23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究1 23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究2 23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究3 23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究4 23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究5 23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究6
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第22卷第1期2014年2月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYVol,22NO.1Feb.201423CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究。1j闫永明,刘雅政,周乐育,徐盛(北景科技大学材料科学与工程学院,北京100083)摘要:利用Gleeble一1500热模拟试验机进行单道次热压缩变形,通过控制变形温度(900,950,l000,1℃050)和应变速率(0.01,0.1和1s1)研究了23CrNi3Mo钢的动态再结晶行为,分析了变形温度、应变速率对动态再结晶行为和组织演变的影响.结果表明:23CrNi3Mo钢动态再结晶的再结晶激活能为293.23kJ/mol;采用0-盯模型较精确地获得了发生动态再结晶的临界应变与峰值应变,并确定了其平均比值s,/6。=O.63;确定。了材料常数和热变形本构方程.通过对热模拟实验数据的分析和显微组织观察,建立了不同变形条件下动态再结晶模型和晶粒尺寸模型.关键词:23CrNi3Mo;应变速率;变形温度;动态再结晶;晶粒尺寸中图分类号:TGl42.1文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)01-0042-06Researchondynamicrecrystallizationandmicrostructureevolutionof23CrNi3MosteelYANYongming,LIUYazheng,ZHOULeyu,XUSheng(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Dynamicrecrystallizationbehaviorof23CrNi3Mosteelwasinvestigatedbymeansofsingle-passcompressiontestsonaGleeble一1500thermo.mechanicalsimulatorattemperatureof900,950.1000,1℃050andstrainrateof0.01.0.1and1’S-。.rheinflueneeoftemperatureandstrainrateondynamicrecrystallizationandmicrostructureof23CrNi3Modrillsteelwasstudied.TheresultsshowthattheDRXactivationenergyofthe23CrNi3Mosteelis293.23kJ/m01.Amethodwasdevelopedtodeterminethecriticalstrainandthepeakstrain,andtheaveragevalueofs。/s。is0.63.Thematerialparametersinthehyperbolicsineconstitutiveequationweredetermined.andthedynamicrect3,stallizationmodelandgrainsizemodelaresetupbvdataoftherrno.simulationandmicrostructure.Keywords:23CrNi3Mo;strainrate;temperature;dynamicalreerystallization;grainsize随着现代高频率、高冲击凿岩设备的应用,对钎具产品的质量提出了越来越高的要求.在钻凿过程中,钎头作为主要的受力部件,直接接触并破碎岩体,承受着巨大的冲击载荷和磨料的剧烈磨损.因此,钎头在具有较高强度的同时还应具有优良的韧性¨J.23CrNi3Mo钢作为一种低碳cr、Ni、Mo合金钢,在国内外钎钢钎具行业广泛应用于钎头、钎尾和钎杆的生产过程.随着基础建设及矿山开采的13益发展,对于高寿命钎具产品的需求量收稿日期:2013-0卜17.作者简介:闫永明(1986一),男,博士研究生;刘雅政(1952一),女,教授,博士生导师—通信作者:刘雅政,Email:534004603@qq.corn.也持续增加悼3.钎具成品的原奥氏体晶粒大小是由轧制工艺和热处理工艺联合控制,晶粒细化不仅有利于提高产品的强度,更有利于获得细小且均匀分布的稳定奥氏体,大幅度地提高钎具产品的强韧性,从∞而增加钎具产品的使用寿命。5J.在轧制过程中,再结晶可以降低材料的变形抗力、细化晶粒,提高№材料综合力学性能。J.因此,掌握23CrNi3Mo钢的高温奥氏体动态再结晶规律及对其进行数学建模,对提高钎具产品质量尤为重要.本文利用Gleeble.1500热模拟试验机对23CrNi3Mo钢产品的轧制工艺参数范围内热变形过程中的显微组织演变规律进行研究,建立了热变形过程中动态再万方数据第1期闫永明,等:23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究・43・结晶模型和晶粒尺寸模型,充分利用动态再结晶过程细化晶粒,能够优化钎钢棒材热轧工艺,对提高最终产品的性能尤为重要.1试验试验钢取自西宁特钢生产的23CrNi3Mo铸坯,其化学成分如表1所示.试验钢的化学成分(质量分数/%)MnCrNiMoPS0.621.23.Ol0.340.0040.016从铸坯中心位置截取中8nlnlxl5mm的圆柱形试样,采用Gleeble一1500热模拟试验机进行单道次热压缩试验.将试样以10。C/s的速度加热到I250oC保温3min,然后冷却到变形温度(根据—23CrNi3Mo钢生产轧制温度在9251035oC,选取900、950、1000、1050oC的4个变形温度),进行变形量70%的压缩变形,变形速率取0.1、1、10S~,实验过程中记录真应力应变曲线,并在变形后迅速淬火保留奥氏体组织,然后截取试样的纵剖面经机械抛光后,采用过饱和苦味酸水溶液+缓蚀剂(海鸥洗发液)对试样进行热侵蚀(侵蚀温度℃70),以显示淬火后原奥氏体晶界,并在光学显微镜下对显微组织进行了观察.使用ImageTool软件对不同工艺下的奥氏体晶粒尺寸进行了统计.2结果及分析2.1流变应力曲线23CrNi3Mo钢在不同变形温度和应变速率下的真应力(盯)一真应变(占)曲线如图l所示.相同的变形速率(套)下,随温度的升高,峰值应力逐渐降低;且峰值应力对应的应变减小.当温度不变时,应变速率较小时曲线峰值较低,且峰值应变较小,易于发生动态再结晶;随着应变速率增加,峰值应力增大,峰值应变增加.热变形过程中,材料的加工硬化和动态软化两种机制同时起作用.变形开始阶段,加工硬化起主导作用;随着变形的进行,当材料开始发生动态再结晶时,占一盯曲线呈下降状态,此时动态软化机制起主要作用;随着再结晶的继续进行,当加工硬化和动态软化达到平衡时,s应力为某一稳定值,材料进入完全再结晶状态.2.2动态再结晶本构方程研究表明旧J,变形温度和应变速率对材料峰∽值应力的影响可用式(1)和式(2)。1叫表示,250200150鼍10050℃900℃950l℃000l℃0500O_20.40.60.81.O250200之150主b10050O.20.40.60.81.0占fCl言=10s。图123CrNDMo钢流变应力曲线奎=A。exp(届盯),(1)”毒=A:[sinh(o比r)]exp(-Q/RT).(2)Zener-Hollomon(Z)参数综合了材料的热变形条‘件,z参数可用式(3)81表示,z一"e.、面Q).(3)式中:;为应变速率(S一);矿为峰值应力(MPa);凡为应变速率敏感系数的倒数;T为变形温度(K);尺为气体常数;A。、A:和a为材料常数;Q为变形激活能(kJ/m01).对式(1)、式(2)和式(3)进行恒等变形得到In8=lnAIt弦,(4)ln[sinh(OtO")]-扭』/7,l毗等珊c专.nn瓜』』(5)式中:曰=』/'t(1玉_M:);c=黑n/Y;a=鲁;n为材料常数.凡薹≮,.:{龄咖㈣●●99万方数据材料科学与工艺第22卷在不同变形条件下(图2),给出了“ln毒-ln[sinh(盯)]和104T-1-ln[sinh(olor)]关系图.使用Origin软件进行线性拟合分析,不同变形条件下实验结果的线性关系吻合较好,从而得出n=5.9951,C=6347.53.因此,23CrNi3Mo钢的动态再结晶数学模型为商exp(学).(6)热变形过程中,峰值应力与z参数之间呈线性关系(见图3),结合图2、式(6),23CrNi3Mt,并:的本构方程可表示为;=9.54×1013sinh[(0.00620-)]铋exp(-.293代2』31.26).f71爹..。...j.。..。...................I...........。。J.................,j..。。.。.J—l0l23ln占n÷一In[sinh(do')]ltlt线≥争鬻雾魏I/,,/7,1/,//.。-o.。4I/图2峰值应力与应变速率和温度的关系图图3峰值应力与inZ的关系图2.3动态再结晶临界应变模型临界应变量占,是判断材料是否发生动态再结晶的关键,只有变形量大于s,时,奥氏体才会发生动态再结晶.占,的大小表征了奥氏体发生动态再结晶的难易程度,因此,准确地确定动态再结晶开始时的临界应变量8,,对于研究热变形工艺…参数至关重要.通常取s。=(0.60~0.85)s。。,本文采用RyanND的0-tr模型¨21(0=d盯/d6)准确地确定了动态再结晶过程中s。和占。等关键物理量.如图4所示,为实验钢应变速率0.1‘s1时不同温度的0-o"曲线.图4中可以将O-o"曲线分为4部分:第1部分直线段是线性硬化阶段;第1I部分曲线斜率逐渐降低,动态回复速率降低;第1II部分当流变应力或应变量达到动态再结晶临界值时,动态再结晶开始,曲线斜率急剧下降;第1V段为完全动态再结晶阶段,流变应力进入稳态应力阶段.其中,第1I段的结束点or,对应发生动态再结晶的临界应变8。,曲线与盯轴的交点盯。对应动态再结晶过程中的峰值应变8。.020406()80100120140’盯/MIa图4加工硬化率与应力关系图(叠=0.1S对不同变形条件下的s。和占。进行了统计,如表2所示.通过计算,s,和8。的比值在0.61~0.65,取其平均值,23CrNi3M0钢热变形过程中占。=0.63e。,此结果比通常采用的经验公式s。=0.83s。。更准确.在热变形过程中,峰值应变Oc.p和临界应变量占。取决于z和s.当z一定时,随着变形量的增大,材料组织发生由加工硬化到动态回复到部分再结晶到完全再结晶的变化.对于一定的金属材料,峰值应变占..与应变速率和变形温度有如下关系¨}H】:“s。=船.(8)图5给出了In6。-lnZ关系图,线性拟合分析得出X_-0.1165,m=0.056.因此,占。=0.1165zo056,(9)占,.=0.073‘4Zo056.(10)O0000OO00∞加印加如加mm屯叭叭瑚姗////一也戤懈///\1也●▲◆T一——————........................................L.,...................................................,.,.L,.-万方数据第1期闫永明,等:23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究根据式(6)、式(9)和式(10),利用matlab软件建立了23CrNi3Mo钢动态再结晶模型图,见图6.图6中s,曲面表示开始发生动态再结晶的临界变形,占。曲面表示发生完全动态再结晶的临界变形.当变形条件位于占。曲面以下时,材料不发生动态再结晶;当变形条件位于s。曲面以上时,材料发生完全动态再结晶;而在s。曲面和s。曲面之间时,材料发生部分再结晶,出现混晶现象.表2不同变形条件下动态再结晶临界应变(£。)、峰值应变(£,)及其比值温度/c|C900950l00010500.390.33O.280.260.65O.630.640.622426283lnZ图5峰值应变和InZ关系图沁:一V00E£2.4高温变形过程中组织演变规律变形温度、变形量和应变速率等工艺参数对热变形奥氏体的动态再结晶行为都有明显影响.图7所示为23CrNi3Mo钢不同工艺的高温形变组织.变形条件900oC,10S一时材料发生部分动态再结晶,如图7(a)所示,出现明显的混晶现象,混晶的出现会严重降低钢材的质量;当应变速率10S~,变形温度I>950oC时,均发生完全动态再结晶,且随着变形温度的升高平均晶粒尺寸变大;当变形温度为1050oC时,随着应变速率的降低,平均晶粒尺寸增加.动态再结晶是一个温度和速率控制的过程,变形温度和应变速率对再结晶晶粒尺寸有很大影响.当温度升高时,位错的滑移、攀移和交滑移比低温时更容易进行;同时,晶界迁移能力增强,这些都有利于动态再结晶的形核与晶粒长大¨5。16J.利用Imagetool软件,对完全动态再结晶试样的晶粒尺寸进行了统计,计算了其平均晶粒尺寸,如表3所示.z参数综合反映了热变形过程中变形温度和应变速率的影响.根据表3和式(4),如图8(a)所示,不同应变速率下,再结晶晶粒尺寸与lnZ呈线性关系.利用Matlab软件进行计算分析,得出再结晶晶粒尺寸与变形温度和应变速率的关系为≥d:鲤堕一2.651In奎.(11)——d=一.占.(11)J式中:d为晶粒尺寸(斗m);;为应变速率(s。1);T为变形温度(K);Q为变形激活能(kJ/m01).根据式(11),利用Matlab软件得到了23CrNi3Mo钢关于变形温度、应变速率和再结晶晶粒尺寸的三维模型图,见图8(b).结合材料的动态再结晶模型图(图6),实际轧制过程中根据各道次的变形温度、变形速率、道次变形量可以有效地控制材料的再结晶状态及最终的晶粒尺寸,以获得产品优异的机械性能.3结论1)采用回归方法,确定了23CrNi3Mo钢的动态再结晶激活能(293.23kJ/m01)和综合表示材料热变形条件的Zener-Hollomon参数为Z=;:exp(293231.26/RT).2)23CrNi3Mo钢本构方程为占=9.54X10¨『sinh(0.00620-)]628exp(一293231.26/RT).3)确定了热变形过程中临界应变量s。=0.0734Zn056,临界应变与峰值应变的平均比值s。/s。=0.63.4)热变形过程中晶粒尺寸d=Q(丁一l120)/T-2.651n奎,建立了动态再结晶模型图和晶粒尺寸模型图.一一一.一2468O00O0●一一一一一'_吣=一万方数据・46・材料科学与工艺第22卷hl,=105t)I,F=l-…y=I()j()I..i=()1、图7热变形中显微组织演变规律表3不同变形条件下再结晶晶粒尺寸(岬)605040呈30奄2010,埸lnZ(a)lnZ-d关系曲线(b)23CrNi3Mo钢晶粒尺寸模型图8晶粒尺寸与变形条件关系参考文献:[1]洪达灵,顾太和,徐曙光,等.钎钢与钎具[M].北京:冶金工业出版社,2000.[2]程巨强.凿岩钎具材料的研究与应用现状[J].凿岩机械气动工具,2007(3):10-13.CHENGJuqiang.Theresearchandapplicationofrockdrillingmaterials[J].ZhaoyanJixieQidongGongju,—2007(3):1013.[3]王进,褚忠,李君飞,等.F35MnVN非调质钢高温本构模型对比研究[J].材料科学与工艺,2012,20(5):—143148.WANGJin,CHUZhong,LIJunfei,eta1.ComparativestudyontwotypesofconstitutivemodelinF35MnVNmicroalloyedforgingsteel[J].MaterialsScienceand—Technology,2012,20(5):143148.[4]袁武华,周恒,傅强.微合金中碳钢的热压缩变形流变行为研究[J].材料科学与工艺,2011,19(1):2l一25.YUANWuhua,ZHOUHeng,FUQiang.FlowstressbehaviorofmicroalloyedmediumcarbonsteelunderhotcompressiondeformationfJ1.MaterialsScienceandTechnology,201—1,19(1):2125.[5]王秉新,周存龙,徐旭东,等.Mn-Cr齿轮钢动态再结晶行为及组织演变[J].材料科学与工艺,2006,14∞∞钙弘巧加临m,0万方数据第1期闫永明,等:23CrNi3Mo钢动态再结晶行为和组织演变研究・47・[6][7][8]—(4):377380,WANGBingxin,ZHOUCunlong,XUXudong,eta1.Dynamicrecrystallizationbehaviorandmicrostructareevolutionofa—MnCrgearsteel[J].MaterialsScienceand—Technology,2006,14(4):377380.曾伟明,韩坤,张梅,等.超高强度Ti微合金复相钢再结晶行为研究[J].材料科学与工艺,2011,19(3):132-137.ZENGWeiming,HANKun,ZHANGMei,eta1.Recrystallizationbehaviorof—ultrahighstren殍hlowcarbon—microalloyedComplexPhasesteel[J].MaterialsScienceandTechnology,2011,t9(3):132—137.吴晋彬,刘国权,王承阳,等.钒氮微合金钢动态再结晶动力学及影响因素[J]。材料科学与工艺,2011,19(1):85-90.WUJinbin,LIUGuoquan,WANGChengyang,eta1.Dynamicreerystallizationkineticsandrelatedinfluencefactorsofvanadium-nitridemien)alloyedsteelduringhotcompressivedeformation[J].MaterialsScienceandTechnology,201—l,19(1):8590.MCQUEENHJ,YUES,RyanND,eta1.Hotworkingcharacteristicsofsteelsinausteniticstate[J].JournalofMaterialsProcessing—Technology,1995,53(12):293-310.ZENERC.HOLLOMONJH.Effectof—strainrateupontheplasticflowofsteel[J].JournalofApplied—Physics,1944,15(1):2232.GEORGEK.Deformation,ProcessingandStructure[M].ST.LOUIS:American.SocietyforMetals,1984.McQUEENHJ,RYANND.Constitutiveanalysisinhotworking[J].MaterialsScienceandEngineeringA,——2002,322(12),4363.RYANND.McQUEENHJ.Dynamiesoflening—mechanismsin304austcniticstainlesssteel『J].CanadianMetallurgical—Quarterly,1990,29(2):147162.MECKINGH.KOCl(SUF.Kineticsofflowand—strainhardening[J].ActaMetallurgica,1981,29(11):—18651875.SRINIVASANN,PRASADYVRK。Hotworkingcharacteristicsofnimonic75,80Aand90superalloys:acomparisonusingprocessingmaps[J].JournalofMaterialsProcessing—Technology,1995(51):171192.余永宁.金属学原理[M].北京:冶金工业出版社,2003.王有铭,李曼云.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京:冶金工业出版社,1993.(编辑吕雪梅)]J]J1J1j]J1J]J明mn眩BH塔mrLrLrLrLrL『LrLrL万方数据
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