微轧制下高碳马氏体钢的超延展性与尺度效应

发布时间：2020-01-27 02:56

【摘要】：高碳淬火钢难以在室温下发生塑性变形,人们曾将此现象归因于成分(碳含量过高)和组织(马氏体塑性差),未考虑几何尺寸的影响.为此,本研究在室温下对厚度为400?m的9Si Cr淬火马氏体钢进行微轧制实验,发现微轧制下实验钢的塑性良好,延展率达200%以上,且硬度比淬火态提高了39%.本文对此新发现进行了研究.首先,负辊缝轧制使横向压应力增大,同时由于单位体积的接触表面积变大,而引起纵向压应力和垂直方向压应力同时增大,因而静水压力增加.这些因素有利于抑制轧件边裂、头部劈裂以及轧件内部缺陷生成和扩展,致使塑性改善.这一现象可以用传统理论进行解释,属于第一类尺度效应.其次,由于位错和孔洞一旦到达试样表面就会释放和消失,所以轧件的比表面积越大对提高塑性越有利.因此,比表面积充分大的薄轧件已不能视为均匀连续、各向同性的理想材料,其表面效应属于第二类尺度效应.实验结果表明:长期以来认为高碳马氏体组织塑性差的认识在薄轧件轧制中受到挑战,需要同时考虑两种尺度效应,才能深入认识其力学表现和物理本质.
【图文】：

⒃錆粕璞?称为3M轧机(micrometal-formingmill).该轧机可进行压缩、剪切、拉伸组合轧制,最小厚度可达微米级[22].采用3M轧机对9SiCr淬火钢进行微轧制实验,希望以此突破高碳马氏体钢这类硬脆材料难以塑性变形的瓶颈.2实验材料及方法实验材料为9SiCr钢,其化学成分如表1所示.首先将几何尺寸为20mm×15mm的原料进行820°C×1.5h加热保温后淬火处理(水淬),然后用砂纸磨去试样表面的氧化层,最后用线切割机分别加工出两种厚度试样:1200μm厚的试样A,400μm厚的试样B.室温下的微轧制实验在前述的3M轧机上进行,如图1所示.该轧机工作辊直径50mm,支撑辊直径100mm,辊面宽120mm,名义轧制速度40mm/s(未考虑前滑),微轧制工艺参数如表2所示.表1实验钢的化学成分(wt%)元素CSiCrSPFe含量0.861.251.05<0.03<0.03Bal.图1(网络版彩图)自主研制开发的3M微成形轧机表29SiCr淬火钢微轧制工艺参数轧制参数道次轧前厚度(m)轧后厚度(m)压下率(%)试样A1120011038.0试样B140029925.3229923820.4323815933.2415912123.951219719.8将淬火态以及冷轧态的实验样品制成金相试样,金相试样经过机械研磨、抛光后,用4%的硝酸酒精腐蚀,并通过光学显微镜(LeicaDM2700)和扫描电镜(FEIQuanta600)进行显微组织观察,观察面为试样的纵截面.利用维氏硬度仪(THV-5M)对淬火态以及冷轧态的试样进行显微硬度测试,施加载荷0.5kg,加载时间为15s.3实验结果3.1高碳马氏体钢的轧制延展率为了真实反映轧制过程中高碳马氏体钢圆片的塑性,参考单向拉伸时延伸率的表示方法,采用延展率β来计算相对变形量:max=,l(1)其中lmax为轧后试样的最大长度,φ为轧前圆片直径.观察和计算表明,厚度为1200m的试样只经过一道次轧制,其头部?

中国科学:技术科学2015年第45卷第11期1189图2(网络版彩图)不同厚度9SiCr马氏体钢的冷轧塑性比较(a)微轧制前后试样A的形貌;(b)微轧制前后试样B的形貌;(c)延展率215%的试样B;(d)延展率215%的试样弯曲变形图4(c)所示;第三道次微轧制后延展率已达到100%,剧烈塑性变形已使原奥氏体晶界、马氏体形貌变得模图3不同延展率下400μm厚9SiCr马氏体钢的硬度糊不清,只能观察到平行于轧制方向的纤维组织,如图4(d)所示.4讨论淬火态9SiCr钢的硬度高达610Hv,马氏体钢具有如此高的硬度是因为固溶强化、相变强化和时效强化三种强化方式共同作用的结果.尽管理论上还可通过形变强化方式使其硬度得到进一步提高,然而实验结果表明,厚度为1200μm的试样A在延展率仅为8%时就在头部和边端部出现裂纹(图2(a)),这表明通过冷轧变形提高常规尺度高碳淬火钢的硬度是难以做到的.为了研究几何尺度对塑性的影响,制备了400μm厚的9SiCr马氏体钢,令人惊喜地发现淬火态9SiCr薄轧件实现了无缺陷冷轧大变形,延展率达到215%.9SiCr马氏体钢形变的同时,加工硬化也在发生,因形变强化而使9SiCr马氏体钢的硬度提高了39%,达到850Hv.这些结果让我们不得不重新审视“尺度效应”的作用,需要研究微轧制不同于常规轧制的变形行为.4.1负辊缝轧制的作用分析可知,如果轧件厚度小于或等于轧机牌坊与辊系在垂直方向的弹性变形量时,必须采用负辊缝轧制才能实现对轧件的压缩变形.具体做法是:在轧件咬入辊缝之前,施加适当的预压紧力把上下两支轧辊预先压靠,轧件咬入后在轧制力的作用下,轧机和轧辊的进一步弹性变形导致在轧件宽度范围内出现与轧件厚度近似相等的有载辊缝(忽略轧件在离开变形区后的弹性变形),在轧件宽度范围之外上下两支轧辊仍然保持接触状态,如图5(b)所示.此时

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