分享：基于热模拟试验机的大试样平面应变技术

模拟金属塑性大变形时,通常使用圆柱压缩以及平面应变压缩热模拟技术[1-3]。圆柱压缩试验比较接近轧制过程,但是由于摩擦力的影响,试样变形不均匀,出现鼓肚现象,且试样的变形区较小,限制了随后的力学性能测试[4]。与圆柱压缩热模拟技术相比,平面应变压缩变形区的应力状态、金属流动状态和热传导与轧制更相似,因此平面应变压缩技术也被用来研究金属塑性大变形。目前,大多数平面应变压缩试验技术只能用来研究材料的显微组织以及流变应力,很少能实现同时研究试样的显微组织和力学性能[5-7]。为实现同时分析材料大变形后的显微组织与力学性能,进而提高热模拟分析的效率,大试样平面应变技术应运而生[8-9]。然而,目前大多数大试样平面应变技术只局限于特定的仪器,并未在常用的热模拟试验机上实现。 

笔者主要针对Thermecmastor型热模拟试验机的大试样平面技术进行研究,通过对仪器的通电加热和感应加热等参数进行设置,使大试样温度在升温、保温和降温过程中保持相对稳定,满足大试样在保温阶段的均温性要求；并对Q235低碳钢在Thermecmastor型热模拟试验机上压缩变形区的显微组织以及其平行试样的力学性能进行分析,结合平面应变试样的宽展,探讨基于Thermecmastor型热模拟试验机的大试样平面应变技术,为研究钢铁等其他材料大试样平面应变热模拟方法提供支持。 

1.   试验材料及方法

试验材料为Q235低碳钢,Q235低碳钢的计算相图如图1所示。由图1可知：Q235低碳钢的奥氏体转变温度为840 ℃；随着温度降低,奥氏体析出先共析铁素体,其相组成为奥氏体和铁素体；随着温度的继续降低,奥氏体发生共析反应,生成珠光体,其相组成为铁素体和渗碳体（Fe3C）。 

图  1  Q235低碳钢的计算相图

采用Thermecmastor型热模拟试验机进行压缩试验,试样的尺寸（长度×宽度×高度,下同）为30 mm× 30 mm× 140 mm。根据图1的计算相图,制定了Q235低碳钢的热模拟工艺（见图2）。首先将试样以20 ℃/s的升温速率升温至1 200 ℃,并保温30 s,使得低碳钢完全奥氏体化,再以3 ℃/s的降温速率降到900 ℃,并保温30 s；然后以应变速率为1 s-1进行总形变量50%的3道次压缩,每道次下压5 mm；最后以3 ℃/s的降温速率将奥氏体钢冷却到室温。 

图  2  平面应变压缩热模拟工艺

使用砂纸和抛光机对平面应变试样进行打磨与抛光,然后使用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液进行腐蚀,腐蚀时间约为50 s。采用光学显微镜对平面应变试样的显微组织进行分析。使用计算机控制电子万能拉伸试验机和冲击韧性试验机对平面应变试样的拉伸性能和冲击韧性进行测试。依据GB/T 228.1—2021 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,对直径为3 mm的棒状试样进行拉伸试验,应变速率为0.001 s-1。冲击试样采用尺寸为10 mm× 10 mm× 55 mm的夏比V型缺口标准试样,依据GB/T 229—2020 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对试样进行冲击试验。 

2.   试验结果

2.1   大试样的均温区

在对试样进行平面应变压缩变形时,首先要保证试样变形部位的均温性,尤其是尺寸较大的试样。为了使大试样温度在升温、保温和降温过程中相对稳定,对Thermecmastor型热模拟试验机的仪器参数进行了探索。在升温、保温和降温过程中,主要调整Thermecmastor型热模拟试验机通电加热和感应加热的档位。由于试样的尺寸较大,感应加热不能够使试样按照设定的工艺进行升温和保温,因此主要以通电加热为主,感应加热为辅,使大试样温度在升温、保温、降温的过程中相对稳定。 

为确定大试样的均温区,设定的热模拟工艺如图3所示,同时对距离中心线左端10 mm和20 mm的温度进行了测量。由图3可知：大试样在升温阶段,以及1 200,1 000,800 ℃保温阶段的温度相对稳定,中心线与左端10 mm处的温差约为20 ℃,结合大试样温度分布的对称性,大试样均温区尺寸为30 mm× 30 mm× 20 mm,平面应变压头半径为10 mm,满足大试样均温性的要求。 

图  3  大试样的热模拟工艺曲线

图4为平面应变压缩试验的热模拟工艺和实际测定温度曲线。由图4可知：试样在升温、保温和降温过程中测定的温度曲线与工艺设定的温度曲线基本一致。试样在升温、保温和降温过程中主要以通电加热为主,感应加热为辅。 

图  4  热模拟工艺和实际测定温度曲线

2.2   流变应力-流变应变曲线与相变温度

材料流变应力曲线是分析金属材料热轧或冷轧过程中回复以及再结晶规律的主要依据之一[10-14]。图5为Q235低碳钢试样的流变应力-流变应变曲线。由图5可知：Q235低碳钢在经过第二次压缩后发生了软化。结合Q235低碳钢的软化规律和单道次的应力-应变曲线规律可得,经平面应变压缩后,奥氏体主要发生了静态回复和再结晶,直到发生相变生成铁素体。 

图  5  平面应变试样的流变应力-流变应变曲线

图6为平面应变试样在升温和降温过程中的膨胀曲线。由图6可知：Q235低碳钢的奥氏体相变温度为737 ℃,完全奥氏体化的温度为764 ℃；Q235低碳钢中奥氏体生成铁素体的相变温度为752 ℃,相变完成的温度为606 ℃。 

图  6  平面应变试样在升温和降温过程中的膨胀曲线

2.3   显微组织与力学性能

经过平面应变试验后,试样厚度从30 mm被压缩至15.2 mm,压缩变形后试样的宏观形貌如图7所示。由图7可知：压缩变形后Q235低碳钢试样的宽展相对较小,应变分布接近于平面应变状态。因此,Thermecmastor型热模拟试验机可以较好地完成金属材料大试样平面应变压缩试验。 

图  7  压缩变形后试样的宏观形貌

对压缩变形后的试样进行金相检验,取样位置如图8所示,金相检验结果如图9所示。由图9a)可知：位置1的白色相为铁素体,黑色相为珠光体,按照形貌可将其组织划分为4个区域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）,Ⅰ区的组织中不仅包含块状铁素体和珠光体,还包含针状铁素体,生成的针状铁素体与珠光体组成了魏氏组织[15]；Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区的组织均为块状铁素体和珠光体,其中Ⅲ区的块状铁素体晶粒尺寸最小；Ⅱ区和Ⅲ区与表面距离相似,冷却速率相似,然而Ⅲ区的铁素体晶粒尺寸小于Ⅱ区,主要与Ⅱ区和Ⅲ区的形变量有关。在经过平面应变压缩后,Ⅱ区和Ⅲ区的奥氏体发生了不同程度的局部变形,形变量越大,形变储能越高,越有助于再结晶细化原奥氏体晶粒尺寸,使得晶界面积增大。形变晶粒以及形成的位错为先共析铁素体形核提供了能量和形核位置,从而细化了铁素体的晶粒。虽然位置1中Ⅳ区的上端表面与压头接触,摩擦力较大,形变量较小,但Ⅳ区的铁素体晶粒依然为块状铁素体,主要是因为外端的冷却速率比心部快。 

图  8  金相检验取样位置示意

图  9  压缩变形后试样的显微组织形貌

由图9b)~9h)可知：位置2上端的组织为块状铁素体和珠光体,铁素体晶粒尺寸与位置1中Ⅳ区的基本一致,位置2下端为魏氏组织,与位置1中的Ⅰ区相似；位置3上端为魏氏组织,下端组织中含有少量魏氏组织；位置4左端为魏氏组织,右端魏氏组织逐渐消失；位置5中铁素体大部分为块状,还有一部分针状铁素体；位置6与位置4的显微组织相似；位置7,8的显微组织与位置5相似,大部分组织为块状铁素体和珠光体,并含有少量魏氏组织。 

低碳钢中针状铁素体的形成主要与材料的化学成分、冷却速率、原奥氏体晶粒尺寸和夹杂物含量等因素有关。不同位置针状铁素体含量的变化与局部形变量和冷却速率有关,局部形变量的变化影响了原奥氏体的晶粒尺寸,进而影响针状铁素体的含量。当冷却速率相似时,随着局部形变量的增加,针状铁素体的含量逐渐减少,块状铁素体含量增加。大试样经过3道次形变量为50%的平面应变压缩后,Q235低碳钢变形中心区域的组织大部分为块状铁素体和珠光体,显微组织相对均匀。 

对压缩变形后试样的力学性能进行测试,拉伸试样和冲击试样的取样位置如图7b)所示,按照相同热模拟工艺进行了两次相同的平面应变压缩试验,制备出两个平面应变试样,两个试样的抗拉强度分别为463,467 MPa,两个试样的冲击吸收能量分别为175,181 J,两个平行试样的力学性能接近,力学性能较稳定。 

3.   结论

（1）通过对Thermecmastor型热模拟试验机的参数进行调整,使大试样温度在升温、保温和降温过程中相对稳定。大试样均温区尺寸为30 mm× 30 mm× 20 mm,温差为20 ℃,满足大试样平面应变压缩试验的要求。 

（2）基于平面应变试样的组织、流变应力-流变应变曲线、相变温度,确定了Q235低碳钢变形区的显微组织演变规律,试样中间区域的显微组织相对均匀,为铁素体和珠光体。 

（3）经平面应变压缩后,Q235低碳钢试样的宽展相对较小,应变分布接近于平面应变状态,且平行试样的力学性能较稳定,说明Thermecmastor型热模拟试验机的平面应变技术可以较好地模拟Q235低碳钢压缩变形时的平面应变状态。可直接对压缩后的试样进行拉伸和冲击试验,实现同时分析钢铁材料显微组织与力学性能。

文章来源——材料与测试网