应变对形变诱导铁素体相变影响的研究

　　金属或者合金材料的性能主要取决于其组织特征， 包括晶粒和相的尺寸、 形貌以及空间分布等， 通过变形或者热处理可使材料结构特征发生变化。 因此， 设计适当工艺来优化材料组织显得尤为重要。 很多学者利用普碳钢，在 Ae3～Ar3采用形变诱导铁素体机制获得超细晶铁素体， 探索形变诱导铁素体的形成机制及研究各工艺参数(尤其是应变量，应变速率和变形温度)对形变诱导铁素体相变的影响[1-4]。 对发生在 Ae3温度之上的形变诱导铁素体形成工艺参数与组织演变知之甚少， 因此变形参数对形变诱导铁素体相变的影响还需要进一步研究。 为了探索高温形变诱导铁素体相变形成条件及其演变规律， 本文在热模拟实验机 Gleeble3500 上进行了变形量对低碳钢 Q235 高温形变诱导铁素体相变的实验研究.

　　1 实验材料及方法

　　采 用 Q235 低 碳 钢 中 间 坯 ， 其 化 学 成 分(wt，%) 为：0.13C，0.19Si，0.49Mn，0.012P，0.013S 。950℃正火 1h 后，试样经机械加工成 准8mm×15mm的圆柱。 该材料的奥氏体铁素体平衡转变温度Ae3=848 ℃。 压缩实验在 Gleeble3500 热模拟实验机上进行。 将需变形的试样加热到 950℃并在此温度保温 5min，以 1℃/s 的速度冷却到不同温度保温 30s 后进行单轴压缩，变形一结束，立即对试样淬火。 本文考察了变形量对形变诱导铁素体相变的影响：变形温度 T=850℃，应变速率ε觶 =20s-1，名义应变 ε 分别取50%、60%、70%、80%。

　　整个热模拟过程在氩气保护下完成， 以避免试样表层氧化铁皮对形变诱导铁素体相变的影响。 选用电阻值较大的碳化钨作为压头，在压头与试样之间垫加涂有二硫化钼的钽片来减小摩擦。 为保证 Gleeble3500 热模拟实验机匀速压缩试样，在保温终端抽出与变形时间相同的时间段， 给压头一个初始速度从而保证压头对试样进行匀速变形，在压缩过程中同时记录位移、载荷和温度随时间变化的曲线和真应力-应变曲线。变形后将试样从中心沿压缩轴方向剖开后，机械研磨、抛光后用 3%的硝酸酒精溶液腐蚀，观察剖面的金相组织。

　　2 实验结果及分析

　　为了研究应变对形变诱导铁素体相变的影响，在 T=850℃、ε觶 =20s-1下将试样分别等温压缩到名义应变50%、60%、70%和 80%， 变形结束后立即淬火。 从图 1(a)可看出，当名义应变 ε=50%时，体系完全为马氏体组织， 这说明在变形结束时试样仍然全部由奥氏体晶粒组成， 没有发生形变诱导铁素体相变。 而当名义应变为60%时， 出现了等轴状铁素体和碎布状铁素体。 在变形前保温过程中以及变形后的淬火过程中是不可能从原始奥氏体组织中析出铁素体的，所以图 1(b)显示出的铁素体一定是在变形过程中析出的。 这意味着，在变形温度为850℃、应变速率为20s-1时名义应变须超过50%时， 低碳钢 Q235 中才能发生形变诱导铁素体相变。 图 1(b)～(d)显示，名义应变从 50%逐渐增加到 80%的过程中，试样中的铁素体体积分数明显增加，晶粒尺寸稍有减小。在变形的早期，铁素体的体积分数增加较快，在变形的后期，铁素体的体积分数增加得相对较慢，而且呈现出趋于饱和的趋势。这是因为在转变初期，奥氏体晶界几乎是唯一的形核地点， 由于晶界数量有限， 其形核率相应较低， 待奥氏体晶界被消耗后，形核位置开始由晶界向晶界两侧扩展，同时在晶内会形成大量的变形带， 为铁素体提供了大量新的形核地点。 这导致了转变中期的高形核率和高转变率。变形带的形成需要一临界应变量。而在转变后期，由于形核地点的减少，同时受变形温度下铁素体平衡数量的制约， 形核率和转变速率降低。 转变初期，铁素体主要在奥氏体晶界上形成，晶界两侧有充分的生长空间， 因而导致晶粒尺寸较大，而在转变后期，铁素体在晶界两侧及晶内变形带上快速形核， 而高的形核密度必然会限制铁素体的生长，从而使晶粒变细。