100Cr6轴承钢热变形行为及组织研究_马帅.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n1 0 0 C r 6轴承钢热变形行为及组织研究马 帅,陈克飞,何晓庆,李 灿(湖南文理学院芙蓉学院,湖南 常德 4 1 5 0 0 0)摘 要:利用G l e e b l e-3 5 0 0热模拟试验机研究了1 0 0 C r 6轴承钢在变形温度为8 5 01 1 5 0、应变速率为0.0 11 0 s-1条件下的热变形行为。具体分析了应变速率和变形温度对1 0 0 C r 6轴承钢微观组织的影响,并对组织进行了能谱分析和面扫描分析。结果表明,在相同的应变速率下,流变应力随着温度的升高而降低,马氏体的形态由细晶状长大到针叶粗大状;而在相同的变形温度下,流变应力随着应变速率的升高而增大。当应变速率为0.1 s-1时,在8 5 0和9 5 0压缩变形时,发生了动态回复软化;而在1 0 5 0和1 1 5 0热压缩变形时,加工硬化的软化机理为动态再结晶。关键词:1 0 0 C r 6轴承钢;流变应力;组织研究;热压缩变形;动态再结晶 中图分类号:T G 1 4 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 5 5-0 4S t u d yo fT h e r m a lD e f o r m a t i o nB e h a v i o ra n dO r g a n i z a t i o no f 1 0 0 C r 6B e a r i n gS t e e lM aS h u a i,C h e nK e-f e i,H eX i a o-q i n g,L iC a n(H u n a nU n i v e r s i t yo fA r t sa n dS c i e n c e sF u r o n gC o l l e g e,H u n a nC h a n g d e4 1 5 0 0 0)A b s t r a c t:T h et h e r m a ld e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f1 0 0 C r 6b e a r i n gs t e e la td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e so f8 5 01 1 5 0 Ca n ds t r a i nr a t e so f0.0 11 0 s-1w a si n v e s t i g a t e du s i n gaG l e e b l e-3 8 0 0t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t e r.T h ee f f e c t so f s t r a i nr a t ea n dd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo nt h em i c r o s t r u c t u r eo f 1 0 0 C r 6b e a r i n gs t e e lw e r es p e c i f i c a l l ya n a l y z e d,a n dt h eo r g a n i z a t i o nw a sa n a l y z e db ye n e r g ys p e c t r u ma n ds u r f a c es c a na n a l y s i s.T h er e s u l t ss h o w e dt h a ta t t h e s a m e s t r a i nr a t e,t h e r h e o l o g i c a l s t r e s sd e c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e,a n d t h em o r p h o l o-g yo fm a r t e n s i t eg r e wf r o mf i n e-g r a i n e d t oa c i c u l a r c o a r s e;w h i l e a t t h e s a m ed e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e,t h e r h e o-l o g i c a l s t r e s s i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f s t r a i nr a t e,.A t as t r a i nr a t eo f 0.1 s-1,d y n a m i c r e v e r s i o ns o f t e n i n go c c u r r e da t 8 5 0 Ca n d9 5 0 Cc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n,w h i l e a t 1 0 5 0 Ca n d1 1 5 0 Ch o t c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n,t h es o f t e n i n gm e c h a n i s mo fw o r k-h a r d e n i n gw a sd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n.K e yw o r d s:1 0 0 C r 6b e a r i n gs t e e l;F l o ws t r e s s;O r g a n i z a t i o n a lR e s e a r c h;H o tc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n;D y-n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n基金项目:湖南省教育厅科学研究基金资助项目(2 0 C 1 2 7 8);湖南文理学院科学研究资助项目(2 1 Y B 0 1)作者简介:马帅(1 9 9 2-),男,湖南岳阳人,硕士,讲师,主要从事金属材料塑性成形及数值模拟。轴承钢是制造轴承内外圈及滚动体的关键材料1。随着我国高铁的快速建造,需要越来越多的高速铁路机车轴承,轴承钢是决定轴承寿命和可靠性的关键指标,由于高速铁路机车轴承服役条件特殊,对其所用轴承钢的性能要求也更加苛刻2。因此,为实现中国高铁轴承钢的国产化,满足高铁对高端轴承的需求,聚焦轴承钢热变形中的组织演化、加工硬化和破坏机制等基础理论研究非常有意义3。对轴承钢的研究,国内还主要集中在轴承钢的变形抗力、碳化物演变、晶粒演变、再结晶行为等方面。李彬周4研究了2 0 C r N i 2M o渗碳轴承钢的变形抗力,结果表明变形温度和变形速率对2 0 C r N i 2M o,钢变形抗力的影响最大;周旺松5研究了形变温度对G C r 1 5 S i M n钢网状碳化物演化行为的影响,随形变温度的升高,网状碳化物的连续性与晶粒尺寸的变化规律保持较好的一致性;郭俊6研究了铸造G C r 1 5轴承环径向热轧晶粒演变行为,探究了轧制比、环坯晶粒尺寸、初始轧制温度对热轧过程晶粒演变的影响规律;刘刚7研究了低碳C r N i M o渗碳轴承钢的热压缩再结晶行为,结果表明高变形温度、低应变速率和大变形量有利于材料动态再结晶发生。而目前国内研究1 0 0 C r 6轴承钢的热变形行为的研究很少。为此,本文作者通过热压缩实验研究1 0 0 C r 6轴承钢的高温流变行为,分析变形温度、应变速率对组织的影响,用能谱仪和面扫描分析元素的分布情况,为1 0 0 C r 6轴承钢的动态再结晶数值模拟以及微观组织演变、组织的尺寸大小预测提供材料数据。1 实验材料与方法1.1 实验材料实验选用宝武钢铁公司生产的 5 0 mm的热轧圆棒,钢材的化学成分如表1所示。表1 1 0 0 C r 6轴承钢的化学成分(w t.%)CS iM nSC rN iC uM oT iA lF e1.0 0 0.2 2 0.3 10.0 0 21.5 0 0.0 8 0.1 2 0.0 2 0.0 0 1 5 0.0 0 6 B a l.1.2 实验方法将钢材用线切割加工成 8 mm1 2 mm的尺寸,采用G l e e b l e-3 5 0 0热模拟试验机进行单道次热压缩实验。热变形 工 艺3为:首 先 以1 0/s的 快 速 升 温,温 度 升 至1 2 5 0,试样保温1 8 0s后,完成奥氏体化后,以5/s冷却至变形温度等温2 0s,消除试样温度梯度。然后分别在55DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0072 0 2 3年第5期8 5 0、9 5 0、1 0 5 0、1 1 5 0进行单向热压缩,应变速率分别为0.0 1、0.1、1和1 0 s-1,总变形量为6 0%。试样压缩变形完成后,立即进行淬火处理。随后把1 0 0 C r 6轴承钢进行抛光腐蚀,制备金相试样,观察分析微观组织。2 实验结果及分析2.1 高温流变应力-应变曲线图1为1 0 0 C r 6轴承钢在不同应变速率和变形温度下的高温流变曲线。由图1可知,在相同的应变速率下,流变应力随着变形温度的升高而降低;在相同的变形温度下,流变应力随着应变速率的升高而增大。此外,1 0 0 C r 6轴承钢的流变曲线都是由加工硬化和动态软化(动态回复和动态再结晶)两个阶段组成8。试样在压缩变形初期,主要是产生加工硬化。如图1(a)应变速率为1 s-1时的曲线,就是典型的加工硬化现象,出现这个现象的原因9是:流变应力随着应变量的增大而迅速增大,在变形初期,加工硬化占主导作用,表现为材料的流变应力快速增加。图1(a)和(b)变形温度在8 5 0和9 5 0时,应变速率在0.1 s-1时,曲线呈现出动态回复,此时曲线没有峰值,图1(c)和(d)材料晶体回复程度更加明显,曲线略微下降,所以说材料的动态回复是在一定温度范围内进行的,并且呈现一种动态平衡状态。在动态回复曲线9中,开始阶段流变应力经历了加工硬化阶段的应力快速增大过程,回复引起的软化与变形引起的硬化达到动态平衡,流变应力最后保持恒定,进入稳态变形阶段。图1(c)中变形温度在1 0 5 0,应变速率为1 s-1时,流变应力值上下波动,材料变形初期,应变量较小,流变应力值上下波动范围小,随着应变量的继续增加,流变应力值上下波动的幅度加大,表现出明显的“锯齿状”曲线。图1(c)中变形温度在1 0 5 0,在应变速率为1 0 s-1的曲线中,试样的应力值明显增加,在某一时刻瞬间,流变应力出现快速下降,之后又恢复到比较高的应力状态,曲线并呈现出一定的周期性的特点,继续保持上下波动的状态。在图1(d)中,当材料变形温度增加到1 1 5 0,应变速率在1 s-1时,流变应力波动的幅度明显比1 0 5 0时的流变应力要大,但此状态下的流变应力值下降比较明显,变形初期,流变应力值小范围上下波动,随着应变量的增加,流变应力值上下波动幅度最大,随着应变量的继续增加,流变应力值上下波动幅度反而趋于稳定。当应变速率加快到1 0 s-1时,流变应力值继续增大,流变应力上下波动的幅度也更大,曲线也呈现出一定的周期性变化特点。流变应力上下波动的幅度更大。流变应力出现上下波动的原因1 0是:轴承钢在高温变形过程中,晶界处有析出相形成,而析出相是一种复杂的碳化物,碳化物对晶界和位错起钉扎作用,阻碍位错和晶界的运动,从而阻碍动态再结晶的发生。部分流变应力的增加是为了克服这种钉扎作用,材料同时还发生动态回复软化,流变应力上下波动就是钉扎作用和软化作用动态平衡的结果。如图1(c)和(d)所示,当变形温度为1 0 5 0和1 1 5 0,应变速率在0.1 s-1和0.0 1 s-1时,曲线有明显的峰值,应力