302HQA钢冷变形过程组织演化分析

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.02.007 第26卷第2期 北京科技大学学报 Vol.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 302HQA钢冷变形过程组织演化分析 张麦仓董建新曾燕屏曾凡 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要通过室温压缩实验，研究了奥氏体不锈钢302HQA的冷变形行为.组织分析和X射 线衍射分析表明，冷变形过程产生了形变马氏体，进一步磁性检测表明：随着变形量的增加， 形变马氏体的量也增加：在小变形条件下，变形速率对形变马氏体的生成量影响较小：当变 形量增加到50%时，随着变形速率的增加，由于变形热效应的影响，形变马氏体含量反而有 所下降. 关键词302HQA钢：形变马氏体：磁性检测 分类号TG115.57 奥氏体不锈钢线材主要用于生产紧固件（螺 钢，规格为6.5mm软态钢丝，完全固溶.其化学 丝、螺帽、螺栓、铆钉等)、弹簧、焊丝、精密轴、餐 成分（质量分数，%）为，C,0.012;Si,021:Mn, 具、医疗用针等).目前，国内不锈钢紧固件用线 0.76:P,0.031:S,0.008:Cr,17.24:Ni,9.92:Cu,2.97. 材大多依赖进口，主要因为此类产品的质量还远 1.2实验方法 达不到用户的使用要求.国内冷镦不锈钢产品主 室温压缩实验在Gleeble1500实验机上进行， 要存在以下几个方面的问题：1)冷镦易开裂，尤 实验样品为6mm×10mm的标准圆柱形试样.具 其对某些形状较复杂的产品，降低了原材料的利 体实验方案：变形应变速率0.1,1,5$：在同一应 用率，增加了生产成本；2)冷镦件的磁性较高，影 变速率下设计不同变形量分别为10%，30%， 响了在电子、计算机、VCD等要求非磁性元件方 50%.在实验过程中记录其真应力一真应变曲 面的应用：3)材料易加工硬化，影响了冷镦成型 线. 模具的使用寿命， 将室温压缩后的样品纵向切开，一半镶样， 冷镦成型性能受到多方面的影响，冷变形 用X射线衍射(XRD)技术分析纵切面的相组成， 过程产生形变马氏体是影响亚稳奥氏体不锈钢 然后将其纵切面磨光和抛光后浸蚀，在金相显微 冷加工性的主要原因之一，而形变马氏体的含量 镜上观察冷变形过程组织变化：另一半用于测量 可以通过磁性检测定性或定量表征..本文以韩 磁化强度. 国生产的紧固件所用的302HQA钢为研究对象， 磁性测量在振动式磁强计上进行.样品沿纵 利用室温压缩实验及相关组织分析、X射线衍射 向经线切割加工成2mm×3mm×2mm的方形薄 分析、磁性检测等手段，系统研究了冷变形参数 片，长度方向与原样品的变形方向一致，测量其 对302HQA钢形变马氏体含量的影响，为国产紧 在1.6kA/m下的磁化强度. 固件用302HQA钢的成形工艺控制奠定基础. 2实验结果及讨论 1实验材料和方法 不同冷变形参数下的应力一应变曲线如图1 11实验材料 所示，从图1可以看出，应变速率对材料的流动 实验材料为韩国生产的奥氏体302HQA不锈 应力影响不大，仅在稍高的应变速率（当应变速 率为5s时)时，流动应力下降比较明显.说明在 收稿日期2002-11-07 张麦仓男，34岁，副教授，博士 低速变形条件下，应变速率对材料的加工硬化影

第 卷 第2 6 期 2 0 0 4年2 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u a r n l U o f n i v e s r iyt o S f e le e e a n n d Te c h n o fo y g B e i j i n g l Vb 0 .2 6 N . 2 A p r. 0 4 2 3 0 2H QA 钢冷变形过程组织演化分析 张 麦仓 董建新 曾燕屏 曾 凡 北京 科技 大学材 料科 学 与工程 学 院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 通 过 室温 压缩 实验 , 研 究 了奥 氏体不 锈钢 3 02 H Q A 的 冷变 形行 为 , 组织 分析 和 X 射 线 衍射 分析 表 明 , 冷 变形 过程 产生 了形 变马 氏体 . 进 一步磁 性检 测 表 明 : 随着 变形 量 的增 加 , 形 变 马 氏体 的量也 增加 ; 在 小变 形 条件 下 , 变 形 速率 对形 变 马 氏体的 生成 量 影响 较小 ; 当变 形 量增 加 到 50 % 时 , 随着 变 形速率 的增加 , 由于 变形 热 效应 的影 响 , 形 变 马 氏体含 量 反而有 所 下 降 . 关 键词 3 02 H QA 钢 ; 形变 马 氏体 : 磁性 检测 分 类号 T G 1 1 5 . 5 7 奥 氏体 不 锈钢 线 材主 要用 于生 产紧 固件 ( 螺 丝 、 螺 帽 、 螺 栓 、 铆钉 等 ) 、 弹簧 、 焊 丝 、 精 密轴 、 餐 具 、 医疗 用针 等卜 3] . 目前 , 国内不 锈钢 紧 固件用 线 材大多 依赖 进 口 , 主要 因为此类 产 品的质 量还 远 达 不到 用户 的 使用 要求 . 国 内冷徽 不锈 钢 产 品主 要 存在 以下几 个 方 面 的 问题 : l) 冷 徽 易 开裂 , 尤 其对 某 些形 状较复 杂 的产 品 , 降低 了原材 料 的利 用 率 , 增 加 了生 产 成本 ; 2) 冷 徽 件 的磁性 较 高 , 影 响 了在 电子 、 计算 机 、 V C D 等 要求 非 磁 性元 件 方 面 的应 用 ; 3) 材 料 易 加工 硬 化 , 影 响 了冷 徽 成 型 模 具 的使 用寿 命 . 冷徽 成 型 性 能受 到 多方 面 的影 响 件, , 冷 变 形 过 程 产 生形 变 马 氏体 是 影 响亚 稳 奥 氏体 不 锈 钢 冷 加 工性 的主要 原 因之 一 , 而 形变 马 氏体 的含 量 可 以通过 磁 性检 测 定性 或定 量 表征 `, , ` , . 本文 以韩 国 生产 的紧 固件 所 用 的 3 02 H QA 钢 为 研 究对 象 , 利用 室 温 压缩 实 验 及相 关 组 织分 析 、 X 射 线 衍 射 分 析 、 磁 性检 测 等手 段 , 系 统研 究 了冷变 形 参 数 对 3 02 H QA 钢 形 变 马 氏体 含 量 的影 响 , 为 国产 紧 固件 用 3 02 H Q A 钢 的成 形 工艺 控 制 奠定 基 础 . 钢 , 规 格 为中.6 5 ~ 软 态 钢丝 , 完 全 固溶 . 其 化 学 成 分 (质量 分 数 , % ) 为 , C , 0 . 0 12 ; 5 1 , 0 · 2 1 ; M n , 0 . 7 6 ; P , 0 . 0 3 1 : S , 0 . 0 0 8 ; C r , 17 . 2 4 ; N i , 9 . 9 2 ; C u , 2 . 9 7 . 1 .2 实验 方 法 室 温压 缩 实验 在 lG e bl e 15 0 实验 机上进 行 , 实验样 品为 中6 ~ xl o ~ 的标准 圆 柱形 试样 . 具 体 实 验 方案 : 变 形应 变速 率 0 . 1 , 1 , 5 -s’ ; 在 同一 应 变 速 率 下 设 计 不 同 变 形 量 分 别 为 10 % , 30 % , 5。% . 在 实 验 过 程 中记 录 其 真 应 力 一 真应 变 曲 线 . 将 室 温压 缩 后 的样 品纵 向切 开 , 一半 镶 样 , 用 X 射 线衍 射 ( X R D ) 技术 分 析 纵切 面 的 相组 成 , 然 后将 其 纵切 面磨 光 和抛 光 后浸 蚀 , 在 金相 显微 镜 上观 察 冷变 形过 程 组织 变 化 ; 另 一半 用 于测 量 磁 化 强度 . 磁 性测 量 在 振动 式 磁 强计 上 进行 . 样 品沿 纵 向经 线 切割 加 工 成 Z m m x3 r n们。 x Z ~ 的方 形 薄 片 , 长 度 方 向与 原样 品 的变 形 方 向一 致 , 测 量 其 在 1 . 6 ik 叼 m 下 的磁 化 强度 . 1 实验材 料 和 方 法 L l 实 验材 料 实验 材料 为韩 国生产 的奥 氏体 30 2 H QA 不 锈 收 稿 日期 2 0 冬1 一7 张麦 仓 男 , 34 岁 , 副教 授 , 博士 2 实验 结 果 及 讨 论 不 同冷 变 形参 数 下 的应 力 一 应 变 曲线如 图 1 所 示 . 从 图 l 可 以看 出 , 应变 速 率 对材 料 的流 动 应 力 影 响不 大 , 仅在稍高的应 变 速 率 ( 当应 变速 率 为 5 -s’ 时 ) 时 , 流 动 应力下 降 比较 明显 . 说 明在 低速 变形 条件 下 , 应变速 率对 材 料 的加 工硬 化 影 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 02. 007

·140· 北京科技大学学报 2004年第2期 加工硬化的主要原因是变形过程产生了应力诱 发马氏体现象， 900 根据金属物理理论及相关报道，在冷变形过 程中，形变马氏体-一般在塑性剪切带的交叉点形 700 2.581 核并长大m.因此，从显徽组织看，形变马氏体类 .--5.08-1 似塑性滑移带（参见图2箭头位置），实际测量过 500 程中，形变马氏体的取向等因素对X一射线衍射 结果有一定的影响，采用X射线衍射法对其进行 300 0 0.1 0.20.30.40.5 0.6 定量或半定量分析有一定的困难.但是，对于亚 应变 稳奥氏体不锈钢，冷变形过程中形变马氏体可以 图1应力一应变曲线 通过磁性检测定性或定量表征.图4和图5分别 Fig.1 Curves of true stress vs true strain of 302HQA steel 为不同冷变形参数下302HQA钢的磁化强度与 at different cold working parameters 变形参数的关系及对应的显微组织， 响不大， 图2为302HQA钢经过冷变形后的典型组 2.2 0.1s 1.8 1.0s 1.4 5.0s 1.0 0.6 10 2030 40 50 20μm 变形量% 图2302HQA钢典型组织（变形量30%，变形速率5g) 图4磁化强度与冷变形参数的关系 Fig.2 Typical microstructure of deformed 302HQA steel Fig.4 Curves of magnetization vs cold working parameter 织.可以看出，在奥氏体基体上产生了大量的类 在302HQA钢冷变形过程中，能够引起磁性 似滑移条带的组织（箭头所示）.进一步采用X射 变化的相只有形变马氏体，因此可以认为导致磁 线衍射分析发现，样品中大量存在的相是奥氏体 化强度发生变化的相是形变马氏体，就是说图4 和α'马氏体（见图3)，类似滑移条带的组织为形 中磁化强度的变化对应着形变马氏体量的变化， 变诱发α'马氏体.综合图1~3可知，302HQA钢冷 从图4中可以看出，随着变形量的增加；形变马 氏体的量增加.当变形量从10%增加到30%时， 形变马氏体的量只有少量增加，当变形量增加到 60 50%时，形变马氏体有了大量增加；这一结果与 图5组织变化规律一致.从图5可以看出，变形量 40 较小时（如10%），低变形速率条件下(0,1$和1 名 §)样品组织基本为单一的奥氏体，仅当变形速 20 率增加到5s时在奥氏体晶内出现了少量条状 马氏体.当变形量增加到30%时，三种变形速率 0 下均出现了马氏体相，而且马氏体相的含量随变 10 30 50 70 90 110 形速率的增大而增加，当变形量继续增大到50% 20/() 时，在三种变形速率下均出现了大量的形变马氏 图3X-射线衍射曲线 Fig.3 X-ray diffraction patterns of deformed 302HQA 体组织，但较高变形速率下（见图4）形变马氏体 steel 组织含量反而降低，这是因为变形速率越高，变

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 4 年 第 2 期 一 必点— 2. 5…5 1 …厂 “ 一 5 .0 ’ 一’ 应 变 图 1 应 力一应 变 曲线 F ig. 1 C u r v e s o f t ru e s t饰 s sv t ru e s t r a ni o f 3 02 H Q A s概 l a t d i目re re n t e o ld wo r ki . g P a ra m e t e sr 加 工硬 化 的主 要 原 因是 变形 过 程产生 了应 力诱 发 马 氏体现 象 . 根据 金属 物理 理 论及 相关报 道 , 在冷变形过 程 中 , 形 变 马 氏体一般 在 塑性 剪切 带 的交叉 点形 核 并长 大 `71 . 因此 , 从 显微 组 织看 , 形 变 马 氏体类 似 塑性滑 移 带 ( 参 见 图 2 箭 头位 置 ) . 实际测量 过 程 中 , 形变 马 氏体 的取 向等 因素对 X 一射 线衍 射 结果 有一 定的影 响 , 采 用 X 射 线衍 射 法对 其进 行 定量 或 半 定量 分析 有 一定 的困难 . 但是 , 对 于亚 稳奥 氏体 不锈 钢 , 冷变形 过程 中形变 马 氏体 可 以 通过 磁 性检 测 定性 或 定量 表 征 . 图 4 和 图 5 分 别 为不 同冷 变形 参 数下 3 02 H QA 钢 的磁 化 强度与 变形 参数 的关 系及 对应 的显微 组 织 . n ù1 ùU 0 八Un ù 0 月O ō、 ú凡ù、 乏只侧óé目 响 不大 . 图 2 为 3 02 H QA 钢 经 过冷 变 形 后 的 典型 组 0 . 1 5 一 : 尸1 . 0 5 一 1 沪 洲` 5 . 0 5 一 l 八“0月t ǎ 一日 · 岌í侧攀牟翅 圈 2 30 2 H QA 钢 典型 组织 ( 变形 t 30 % , 变形 速 率 s r ) F ig · 2 竹 P aIC l m lc or s t r u e加件 Of d . fo r m e d 302 H Q A s t e日 0 . 6 ` ~ . 一 J 一 一 - 一 J 一~ 一 一~ 一` 一一 - - - - 山 - - - - - - - 山 - - 曰 1 0 2 0 3 0 40 50 变 形量肌 图 4 磁 化 强度 与冷 变形参数的关 系 F啥 · 4 C u 口e , o f m a g . d 如皿 iot n v s c o dl 和 r倒巨g 妙r a . . d . r 织 . 可 以看 出 , 在 奥 氏体基 体 上产 生 了大量 的类 似滑 移条 带 的组 织 ( 箭 头所 示 ) . 进 一 步采 用 X 射 线衍 射分 析发 现 , 样品 中大 量存 在 的相 是奥 氏体 和 a ’ 马 氏体 ( 见 图 3) , 类 似 滑移 条 带的组 织 为 形 变诱 发 a ` 马 氏体 . 综合 图 l 一3 可知 , 3 02 H QA 钢 冷 侧 葱 丫 产 . 气 , _ { O 乳提扳 巨洲甲~ 一{一 下 - 二 } 2 8 (/ O ) 图 3 x- 射 线衍 射 曲线 F啥3 x- ra y d 廿lr . c廿。 n p a te rn s of d e fo r ln ed 302 R Q A S te e l 在 3 02 H QA 钢冷 变 形过 程 中 , 能 够 引起 磁性 变化 的相 只有 形变 马 氏体 , 因此可 以认 为导 致磁 化 强度 发 生变 化 的相 是形 变 马 氏体 , 就是 说 图 4 中磁 化强 度的变化对 应 着形 变 马 氏体量 的变化 . 从 图 4 中可 以看 出 , 随 着变形 量 的增加 ; 形变马 氏体 的量 增 加 . 当变 形 量从 10 % 增 加 到 30 % 时 , 形 变 马 氏体 的量 只有 少 量增 加 , 当变 形量 增加 到 5 0 % 时 , 形 变 马 氏体有 了大量 增 加 ; 这 一 结果 与 图 5 组织 变化 规律 一致 . 从 图 5 可 以看 出 , 变形 量 较 小 时 ( 如 10 % ) , 低 变形 速 率条 件 下 (0 . 1 -51 和 1 s 一 , ) 样 品组 织基 本 为 单一 的奥 氏体 , 仅 当变形 速 率 增 加 到 5 -51 时在 奥 氏体 晶 内出现 了少量 条 状 马 氏体 . 当变形 量增 加 到 30 % 时 , 三 种变形 速 率 下 均出现 了马 氏体相 , 而 且 马 氏体相 的含量 随变 形速 率 的增大 而增 加 . 当变形 量继 续增 大到 50 % 时 , 在三 种变 形速 率 下均 出现 了大量 的形变马 氏 体 组织 , 但较高 变形 速 率 下 ( 见 图 4) 形变马 氏体 组织 含 量 反而 降低 . 这 是 因为 变形 速 率越 高 , 变

VoL26 No.2 张妻仓等：302HQA钢冷变形过程组织演化分析 ·141· (a变形量10%，变形速率0，s )变形量306变形速率0,1s (⑨变形量50%，变形速率0,1s 20 um 20m 20m (变形量10%，变形速率5s 量30% 5形速 )变形量50%，变形速率 20m 20m 20m 图5不同变形条件下的显微组织 Fig.5 Microstructures under different cold working conditions 形过程样品由于塑性变形热效应引起的温升越 2饭久保知人，成形加工领域不锈钢材料的动向一棒 大侧，产生形变的马氏体量也就越少， 钢[.特殊钢，1999,48(10)：9 3松岛义武，长谷川.冷锻用钢的动态)材料与工艺， 3结论 1999,12(5):953 4 Stainless steel wire for cold heading [J].Wire Ind,1993(5): (1)302HQA钢冷镦变形过程中，变形量和形 295 变速率是影响形变马氏体含量的主要原因，较低 5 Joem-young Choi.Strain induced martensite formation 的应变速率利于形变马氏体的形成；较高的应变 and its effect on hardening behavior in the cold draw304 速率下，由于变形热效应的影响，形变马氏体含 austenitic stainless steels [J].Scripta Mater,1997,36(1): 99 量反而下降， 6李窘.电子工业用冷镦不锈钢丝(ML0Cr18Ni9Cu3) (2)通过测量磁化强度可以定性或半定量表 磁性的研究.金属制品，2000,26(6)：26 征302HQA钢冷变形过程中形变马氏体的含量 7徐祖耀.马氏体相变与马氏体北京：科学出版 变化与冷加工参数的关系. 社，1999 参考文献 8陆世英等.不锈钢M.北京：原子能出版社，1995 1钱立和.国内外冷饿钢研究进展)轧钢，1993(1)：32 Microstructure Evolution Analysis of 302HQA Stainless Steel during the Cold Forming Process ZHANG Maicang,DONG Jianxin,ZENG Yanping,ZENG Fan Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The cold deformation behavior of 302HQA stainless steel was systematically investigated through compress tests at room temperature.By means of microstructure and X-ray diffraction analysis,deformation-induc- ed martensite transformation(DIMT)was found in this alloy during the cold forming process.The result of magnetic measurement shows that the amount of deformation-induced martensite increases with the increasing of plastic stra- in.When the plastic strain is lower than 30%,the amount of martensite increases with the increasing of strain rate, while the plastic strain is up to 50%,the amount of deformation-induced martensite decreases with the increasing of strain rate due to the effect of deformation-induced heat accumulation. KEY WORDS 302HQA stainless steel;deformation martensite;magnetic measurement

、勺LZ` N 0 . 2 张麦 仓 等 : 320 H Q A 钢 冷变形过 程组织演 化 分析 . 14 1 图 5 不 同变形 条 件下 的显 微组 织 F褚 . 5 加E c门 s t ur e加 ers u n d er di妇触比献 c o ld w o r k nl g e o n d i d o . , 形 过程 样 品 由于 塑 性 变形 热 效应 引起 的温升 越 大 ’ .l , 产 生 形变 的马 氏体 量 也 就越少 . 3 结论 ( 1 ) 3 0 2 H Q A 钢 冷 徽变形 过 程中 , 变形量 和 形 变速 率是影 响形变马 氏体含量 的 主要 原因 . 较低 的应 变速率利于 形 变 马 氏体 的形 成 ; 较高的应 变 速率下 , 由于变形 热 效应 的影 响 , 形 变马 氏体含 量 反而 下 降 . (2 ) 通 过测 量 磁 化强度 可 以定性或半 定 量表 征 3 02 H QA 钢 冷变形 过 程 中形变 马 氏体 的 含量 变 化 与 冷加 工 参 数的关 系 . 参 考 文 献 1 钱立和 . 国 内外冷 傲 钢研 究进 展 [lJ . 轧钢 , 19 9 3 ( 1:) 32 2 饭久保知 人 . 成 形 加工领 域 不锈 钢材 料 的动 向一棒 钢 闭 . 特殊 钢 , 1 99 , 4 8 ( 10 ) : 9 3 松 岛义武 , 长谷 川 . 冷锻用 钢 的动 态阴 . 材料 与工 艺 , 1 9 99 , 12 ( 5 ) : 9 53 4 S at 回e s s set e l w ier fo r e o l d he a dln g 【刀 . V八r e ln d , 199 3( 5) : 2 9 5 5 oJ em 一。 明g C ho i . S t r a i n in du c e d m 别rt e ns iet fo mr iat on 叨d ist e fe c t o n h ar d e n i n g 加hva i o r in ht e c o dl dr 即卿 304 aus et ult i e s at 刘e s s s et e l s 明 . S e r 1P at M a峨 19 97 , 36 ( l ) : 99 6 李窘 , 电子 工业 用 冷墩 不锈 钢丝 (M L OCr 1 8N ig C u3 ) 磁 性的研 究 [J] . 金属 制品 , 20 0 , 2 6( 6) : 26 7 徐祖 耀 . 马 氏体相变 与 马 氏 体 【M」 . 北 京 : 科学 出版 社 , 19 9 9 8 陆世 英 等 . 不 锈钢 【M 」 . 北 京 : 原 子能 出版 社 , 1 995 M i e or s如 e 奴ir e E v o lut ion A n a lys i s o f 3 0 2 H QA S t a in l e s s S t e e l d u ir n g ht e C o ld F o n n i n g P r o c e s s 刀刹刀G 人白忍` 口刀g D O N G 涌沁nx in, Z E N G aY nP i gn, Z丑N G F’ a n 加肠址石 asj S d en“ 助 d nE g运创辉 m g s比 ol , U in v 明iyt o f s ic e n 沈 助d 介 c ho o l o gy B e ij ing , B e ij ing l o 0 83 , Ch i n a AB S T R A C T hT e c o ld d e fo n 五at ion b e h va i or o f 3 0 2 H QA s at i n l e s s st e e l w as sy st em iat e al ly i n v e ist g aet d 吐ir o u hg c o m P r e s s et st s at or om t e劝IP er at rIJ e . B y m e ans o f m i cor s tr u c 奴甘 e an d X . r ay id 任比c it on an a 】y s is , ds fo n n at ion . i n d u c - e d m 别 rt e n s iet tr a n s fo mr iat on 口 IM T ) w a s fo un d in 面5 al loy dl 犷in g het c o ld fo mr l n g p ocr e s . Th e er s ult o f m a gn e it c m e as uer m ent s h o w s ht at ht e aln o 切吐 o f de fo mr at i o n 一 in d u e e d m art e n s 1t e in er as e s iw t h th e l n c r e as 1 n g o f p 1as t i e stI a . in · 从飞e n het lP iast “ s t a in is l ~ t h an 3 0% , het 别叮 0 切吐 。 f m 即rt e sn 少 i n c r e as es w iht het in rC e as ign O f s tr a in aert , w hi le het p las t i e s tr a i n 15 uP t o 5 0% , ht e am o u n t o f de fo n n iat -on in d u e e d m a rt e n s iet de cr e as e s w iht het in e r e as in g o f s tr aj 血 r at e d u e ot ht e e f 七ct o f de fo mr 白行。 幻卜访面c e d he at ac e 切口ul iat o n . K E Y WO R D S 3 0 2 H QA st a iul o s s set el ; de fo n n iat on m 别rt e n s it e ; m a gn e t i c m e a s UrL e m ent