GCr6钢实现超塑性时的组织条件和温度—速度条件

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.02.037 北京钢铁学院学报 1983年第2期 GCr6钢实现超塑性时的 组织条件和温度一速度条件 机械工业部机电研究所谢芸青 北京钢铁学院压加系钟鸿儒 摘 要 GCr6钢在拉伸速度由0.375毫米/分到5毫米/分和温度范围由650°C到710°C 的区间呈现出超塑性。拉伸实验的最大延伸率是在0.375毫米/分和710°C的条件下 达到459.3%。GC6钢的组织是铁素体加细小的碳化物颗粒。研究表明经二次调质 处理可得到蒲意的适合于呈现超塑性的显微组织，此时所看到的最大的碳化物颗粒 为4μ。 GC6钢可作为缝纫机针用材料。目前我国缝纫机针坯的生产多采用旋转滚锻工艺，这 种加工方法噪音大，经常在97~100分贝之间，直接影响工人身体健康。超塑性材料由于其 自身的大延伸量和相对低得多的变形抗力，在降低噪音和能耗等方面有着一定的优越性。本 实验的目的在于研究GC6钢实现超塑性时的组织条件和温度一速度条件，为改进现有生产 工艺和探索针坯生产的新工艺进行材料准备的研究工作。 试验方法和试验结果 试验用GC6钢的原材料为经球化退火处理的Φ10毫米的棒状轧材，属2级碳化物球化 组织，化学成分见表1。由于原料尺寸较小，故采用非标准试样，试样尺寸如图1所示，试 样的原始标距为15毫米。试样常温拉伸时的力学性质（平均值）：强度极限σ。65.5公斤/毫米'： 延伸率8=27.5%、面积收缩率中=48.5%。 表1 GCr6钢的化学成份，% c Cr Mn Si s 心 1.35 0.62 0.31 0.29 0.013 0.011 超塑性拉伸前，试样经过组织细化处理，处理工艺为825°~835°C时淬火，然后在 680°C或者更低一些的温度进行回火。试样分为按上述制度进行一次淬火、二次淬火和四次 淬火的共三批。 经组织细化处理的试样分别在德制WPM型5吨材料试验机和国产WD一1型1吨电子 175

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 钢 实 现 超 塑 性 时 的 组 织 条 件 和 温 度一速 度 条 件 机械工 业 部机 电研 究所 谢芸 青 北京钢铁 学院压 加 系 钟 鸿俪 要 钢在拉伸速度 由 毫米 分到 毫米 分和温 度范 围 由 到 。 。 的 区 间 呈现 出超 塑性 。 拉伸实验 的最大延 伸率是 在 毫米 分 和 。 。 的条件 下 达 到 。 钢的组 织是铁素体加 细 小 的碳化 物颖粒 。 研 究表 明经 二 次调 质 处理 可 得到满 意的适合于 呈现超塑性的显微组 织 ， 此 时所看到的最 大 的碳化物顺 粒 为 卜 。 钢可作为缝纫机针用材料 。 目前我国缝 纫机针 坯 的 生 产 多采 用旋 转 滚锻工 艺 ， 这 种加工 方法 噪音大 ， 经 常在 分贝 之 间 ， 直 接影 响工 人身体健康 。 超塑性 材料 由于 其 自身的大延伸量 和相 对低 得多的 变形 抗力 ， 在降低 噪音和能 耗 等方面 有着 一定 的 优越性 。 本 实验的 目的 在于 研究 钢 实现超塑性时的组织 条件和温度一速 度 条件 ， 为改 进现有生产 工 艺和 探索针坯生 产的新工 艺进 行材料 准备的研究工 作 。 试 验 方 法 和 试 验 结 果 试 验用 钢 的原材料为经 球 化退 火处理 的 小 毫米的 棒状 轧材 ， 属 级碳化物球 化 组织 ， 化学成分 见 表 。 由于原料尺 寸较小 ， 故采用 非标 准试 样 ， 试 样尺寸如图 所示 ， 试 样的原始标距 为巧 毫米 。 试样常温拉伸时的 力学性 质 平均值 强度极 限 。 。 二 公斤 毫米 ， 延伸率 色 、 面 积 收缩率 中 。 钢 的 化学成份 ， 。 仁…一 超塑性 拉伸前 ， 试样经 过组织细 化处理 ， 处理工 艺 为 。 时 淬火 ， 然后 在 。 。 或者更低一些 的温度进行 回火 。 试样分 为按 上述 制度进 行一次淬火 、 二次淬火和 四次 淬火的共三批 。 经组织细 化处理的 试样分别 在德制 型 吨材料 试 验机和 国产 一 型 吨 电子 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．02．037

材料试验机上进行拉伸试验。加热炉恒温段温差不 超过±3C。为防止试样表面氧化进行了表面涂 R=2.5 敷。 77 试验的基本情况和主要数据分别列于表2、表 3和表4。拉伸后试样伸长情况的比较分别见照片 1和2。 GCr6钢在拉伸速度为0.375毫米/分和2毫米/分 条件下最大载荷时的工程应力和断裂时延伸率与 图1试样尺寸 表2 两种拉伸速度下不同温度时的试验结果 试样处理 拉伸温度 最大载荷时的工程应力 断裂时的延伸率 条 件 (C) (公斤/毫米2) (%) 拉伸速度：0.375毫米/分 二 550 31.52 68.7◆ 650 5.95 218.5 次 690 2.53 279.4 淬 710 1.68 459.3 715 1.76 343.1 火 730 1.13 122.7 拉伸速度：2毫米/分 535 59.68(56.33) 26.7◆(46.7*) 650 20.63 166.7 次 690 13.41 226.7 710 11.74(10.39) 251.3(227.7) 淬 730 10.39 253.3 745 10.06 260 火 760 12.24 113.3 注：有号者为未实现超塑性的非超塑态拉伸。 3 温度相同不同拉伸速度时的试验结果 试样处理拉伸温度· 拉伸速度 最大载荷时的工程应力：断裂时的延伸率 件 (C°) (毫米分) (公斤/毫米2) (%) 710 5 12.07(13.41) 133.3(130) 次 710 2 11.74(10.39) 251.3(227.7) 火 710 0.375 1.68 459.3 温度的关系示于图2，分别在710℃和745℃时获得延伸率的最大值，而相应的工程应力则 是较小的。这应与超塑性状态下的晶界滑移机理有关，此时超塑性的流动应力将大大地小于 同一材料在同样温度-速度下塑性状态时的流动应力，在多数情况下可能小几倍。图3给出 176

材料试验机 上进行拉伸试 验 。 加热炉恒温段温差 不 超过 士 。 为防止试样 表面 氧 化进 行 了表面 涂 致 。 试验的 基 本情况 和主 要数据分别列 于 表 、 表 和 表 。 拉伸后试样伸长情况的 比较分别 见照 片 和 。 钢在拉伸速度为 毫米 分和 毫米 分 条件下 最大载 荷时的 工 程应 力 和断裂 时延伸率 与 二 卜 一 一 一 月 日「一 一 一 、 ‘ 一芍二 川 万口 嘴矛 」 厂遵 ， 峨 一 一 一 一 一 图 试样尺 寸 表 两 种拉伸速度下不 同温度时的试验 结果 试 样 处 理 拉 伸 温 度 最大载荷时的工 程应 力 断裂 时的 延伸率 条 件 。 ’ 公斤 毫米 拉伸速度 毫米 分 勺甘﹄内 几 … ﹄，曰，上工﹄ 二次 淬火 拉伸速度 毫米 分 二次 淬火 牙 注 有 号 者为未 实现超 塑性的非超 塑 态拉伸 。 表 温度相 同 不 同拉伸速 度 时的试 验 结果 条 件 … ’ 毫米 分 公斤 毫米 · 。 “ … · ‘ · ” 一次淬火 温度的 关系示于 图 ， 分别 在 ℃ 和 ℃ 时获得延 伸率的最大值 ， 而相应 的工 程应 力则 是 较小的 。 这应 与超 塑性状态 下的 晶 界滑移机 理有关 ， 此 时超 塑性 的 流动应 力将大大地小于 同一材料 在 同样温度一速 度下塑性 状态 时的 流动应 力 ， 在 多数情 况 下可能小几倍 。 图 给 出

照片1. 拉伸后伸长的试样与原始试样的比 照片2. 较（拉伸速度为0.375毫米/分，拉 景是蚁架路整键鞋牌 伸温度自下而上分别为55°、50°、 速度为0.375毫米/分， 690、710°、715°730℃)。 拉伸温度为710℃)。 表4 在温度速度相同的条件下经不同予处理时的试验结果 试样处 拉伸温度 拉伸速度 最大载荷时的工程应力 断裂时的延伸率 件 (℃) (老米/分) (公斤/毫米：) (%) 一次淬火 710 2 11.23(10.06) 193.3(176.3) 二次淬火 710 2 11.74(10.39) 251.3(227.7) 四次淬火 710 2 10.56(9.05) 193.3(193.3) 原始组织 710 2 11.4(11.93) 106.7(100) 8,% 500 。01gQ375 mm i n9 ●◆y=2m/min 400 60 300 50 E 图2最大载荷时的工程应力σ和断 40 200 裂时延伸率与温度的关系曲战 30 20 00 500 00 700 0o0 T.C 177

照片 拉伸后 伸 长 的试 样与原始试样 的 比 较 拉伸速度为 毫米 分 ， 拉 伸温 度 自下而上 分 别为 。 、 。 、 、 。 。 、 。 、 ℃ 。 照片 最佳 的超 塑 原始试样 的 拉伸试 样与 比软 拉伸 速度为 奄米 分 ， 拉 伸沮 度为 ℃ 表 在温 度一速度相 同的 条件下经不 同予处理时的试验结果 试 样 处 理 条 件 拉 伸 温 度 ℃ 拉 伸 速 度 张米 分 最大载荷时的工程应 力 公斤 毫米 断裂 时的 延伸率 一二原四 次始 淬组 火织 ， 一 华卿脚叫 ” 沐 刁 叮 图 最大载荷时的工 程应力 。 和断 裂 时延 伸率与温度的关系曲线 ︸介心 洲、它白 才 ’

了最大载荷时的工程应力和断裂时延伸率 与拉伸速度的变化曲线。在所采用的拉伸 8.% 500 速度下相应的初始应变速度率范围为 T-710℃ 2.5×10-2~3.3×10-1,分-1，从超塑性 450 材料的σ-e关系曲线〔1)、〔2)来看，在应 30 300 变速率大小10~'，分时应力仍应有缓慢 上升，断裂时的延伸率仍应继续下降，但 200 对所实验的钢种来讲，在拉伸速度大于 10 100 5毫米/分时可能已进入普通的塑性状态拉 0 伸，同时也由于设备条件的限制在拉伸速 0 234 5 度2~5毫米/分之间缺少3~4毫米/分 v,mm/min 的拉伸速度，所以图3中曲线的更准确的 图3 最大载荷时的工程应力·和 断裂时延伸率6与拉伸速度 变化趋势仍有待今后进一步的试验研究。 的关系曲线 金相照片分析 棒材的原始组织为2级球化状态，有部分未球化的片层状珠光体，如照片3所示。经过 两次和四次淬火的试样组织为细小碳化物加铁素体（包括淬火未溶的碳化物），碳化物颗粒 最大者约在4μ左右。四次淬火组织比二次淬火的更细些（见照片4和5)。一次淬火试样 除有较粗大的碳化物颗粒外，碳化物还有呈链状的趋向，如照片6所示。 对715℃和拉伸速度0.375毫米/分的拉伸试样在断口附近取样作光学显微镜观察，发现 断口处有空洞，远离断口处比近断口处组织细。拉伸后断口附近组织中除碳化物颗粒外，铁 素体呈等轴存在（见照片7）。 照片3球化退火处理的原始棒材 照片4经二次淬火处理的试样金相 的金相组织照片×500 组织照片×500 178

叼﹄臼几︺网八甘 卜 日’卜 一 ℃ 。 加 ，罗、‘ 、 了最大载荷时的工 程应 力和断裂时延伸率 与拉伸速度的 变 化曲线 。 在 所采用的 拉伸 速度下 相应 的初 始 应 变速 度 率 范围 为 一 一 ，， 分一 ， ， 从超 塑性 材料的 一 。 关系曲线 〕 、 幻来看 ， 在应 变速率大小 一 ’ ， 分一 ‘ 时应 力仍应 有缓慢 上升 ， 断裂 时的延伸率仍应 继续下降 ， 但 对所 实验的钢 种来 讲 ， 在 拉伸 速度 大于 毫米 分 时可 能 巳进 入普通的 塑性状态 拉 伸 ， 同时也由于设备 条件的 限 制在拉伸速 度 毫米 分之 间缺 少 毫米 分 的拉伸速度 ， 所 以 图 中曲线的更 准确的 变 化趋势仍有待今后 进一步 的试验研究 。 ” ， 叫 三 图 最大载待时的工 程应 力 和 断裂时延 伸率 与拉伸迷度 的关 系曲线 金 相 照 片 分 析 棒材的原始组织 为 级球 化状态 ， 有部分未球化的 片层 状珠光体 ， 如照片 所示 。 经过 两 次和 四 次 淬火的 试样组织 为细 小碳 化物加 铁素体 包 括淬火未溶的碳化物 ， 碳化物颗粒 最 大者 约 在 卜左右 。 四 次 淬火组织 比二次淬 火的更细 些 见照 片 和 。 一次淬火试样 除有较粗大的碳化物颗 粒外 ， 碳 化物还有呈 链状的趋 向 ， 如照 片 所示 。 对 ℃ 和拉伸速度 毫米 分的 拉伸试样在断 口 附近取样作光学显微 镜观察 ， 发现 断 口 处有空 洞 ， 远离断 口 处 比近断 口 处组 织细 。 拉伸后断 口 附近组织 中除碳 化物颖粒外 ， 铁 素体呈 等轴存在 见照片 。 照片 球的化金退相火组 处织 理照片的原始棒材 照片 经组 二织 次照片淬火 处理 的试样金相

照片5经四次淬火处理的试样金 照片6经一次淬火处理的试样金相 相组织照片×500 组织照片×500 照片7超塑拉伸试样断口附近处 金相组织照片（拉伸温度 为715℃，拉伸速度为 0.375毫米/分)×500 从金相照片的分析，GC6钢的铁素体是金相组织中的主要结构成份，它在超塑性形变 后呈现的等轴性晶粒说明，在超塑性温度(650°~710℃)下的形变过程中铁素体有再结晶 现象发生，而且晶粒尺寸随试样断面收缩率的增加而有所长大，因而表现出近断口处（断面 收缩率较大的部分)的晶粒较远离断口处的晶粒为大。细小的碳化物（4μ以下)是作为第 二项弥散分布于铁素体基体或铁素体晶界上的，起着阻碍铁素体晶粒长大的作用，因此有可 能使铁素体的晶粒直径在整个拉伸过程中保持在小于8μ的程度。正如资料〔3)所指出的那 样，组织的微细化程度是促使材料在一定的温度一速度范围内实现超塑性的内在原因。第二 相的存在对超塑流动过程中的组织定性起着相当大的作用。这样，钢中所含碳化物的体积分 数对于在一定温度-速度条件下是否可以获得超塑性，一直为研究工作者们所注意〔4)、〔5)、 〔6)。GCr6钢的碳含量为1.35%，与共析钢（碳含量为0.8%，碳化物体积比为12%）相 比应有较高的碳化物的体积比，因此这也是有可能获得延伸率459%的良好超塑性性能的重 要原因之一。在文献〔5)中给出的共析钢的最佳延伸率为300%左右。 又在长时间的加热拉伸过程中，细小球化的碳化物也有聚集长大的现象，而且变形程度 愈大，碳化物聚集长大得愈历害。有的聚集后的形态已不再呈球状（见照片7）。这样，一 179

照片 照片 经 一 次淬火 处理 的试样金相 组 织 照片 经相组四 次织淬照火片处理 的试 样金 照片 超 塑拉 伸试 样断 口 附近 处 金 相 组 织 照片 拉伸温 度 为 ℃ ， 拉 伸 速 度 为 毫米 分 从金相照 片的 分析 ， 钢的 铁素 体是 金相 组织 中的 主 要 结构 成份 ， 它在超塑性形 变 后呈 现的 等轴性 晶 粒 说明 ， 在超 塑性 温度 。 ℃ 下的 形 变过程 中铁素 体有再结晶 现象发生 ， 而且 晶粒 尺 寸随试 样断面 收缩 率 的增 加 而有所长 大 ， 因而表现 出近断 口 处 断面 收缩率较大的部 分 的 晶粒较 远 离断 口 处的 晶粒 为大 。 细 小的 碳 化物 件 以 下 是 作为 第 二项弥散分布于 铁素 体 基体 或铁素 体晶 界 上的 ， 起 着阻碍 铁素 体 晶粒 长大 的 作用 ， 因此 有可 能使铁素 体的 晶 粒 直 径 在 整 个拉伸 过程 中保持 在 小 于 件 的程度 。 正如 资料 〔 〕所 指 出的 那 样 ， 组织 的微 细 化程 度是促 使 材料 在一定 的温度一 速度 范 围 内实现超塑性 的 内在原 因 。 第二 相的存在对超塑 流动 过程 中的 组织 定性 起着 相 当大的 作用 。 这 样 ， 钢 中所 含碳 化物 的 体积 分 数对于在 一定温度一 速度条件下是 否可 以 获得超塑性 ， 一直 为研究工 作者 们所 注 意 〔 〕 、 〕 、 〕 。 钢 的碳 含量 为 ， 与共析钢 碳 含量 为 ， 碳 化物体积 比为 相 比应 有较高的 碳 化物 的 体积 比 ， 因此 这 也是 有可能 获 得延 伸率 的 良好 超塑性 性能的重 要原 因之 一 。 在文 献 〔 〕中给 出的共析 钢 的 最佳 延伸率为 左右 。 又 在长 时 间的加热 拉伸 过程 中 ， 细 小 球 化的碳 化物 也有 聚集长大 的 现 象， 而且 变形程 度 愈大 ， 碳 化物聚集长大得愈历 害 。 有的 聚集后 的形 态 已 不再呈 球状 见照 片 。 这样 ， 一

方面减弱了第二相对于稳定组织的作用，另一方面在第二相和铁素体的界面上易形成空荷， 空洞的进一步连结或长大而导致材料的断裂。 讨 论 根据黑色金属材料拉伸时延伸率超过100%即进入超塑性状态的一般概念〔7)、〔8)， 在650°~760℃的试验温度范围内，于所采用的拉伸速度下，GC6钢的所有试样（包括未 经细化处理的原始组织试样)都可呈现出超塑性，并在710°~715℃和0.375毫米/分的拉伸 速度下进入延伸率8>300%的良好状态。当拉伸速度提高到2毫米/分时，在690°~745℃ 的温度范围仍出现较好的延伸率数值(8>200%)。 从表4来看，二次淬火的试样比一次、四次淬火的试样具有较好的超塑性性质。根据碳化 物的形态，一次淬火组织中碳化物呈链状的趋向应该是其超塑性延伸率低于二次淬火的一个 比较主要的原因。从四次淬火试样的金相组织来看，碳化物细化的情况优于一、二次淬火 的，然而超塑性延伸率并不高于二次淬火的试样，多次淬火后是否有其它因素影响（例如， 由于多次淬火在材料组织中有微裂纹的存在，等等)，尚待进一步研究。 从GC6钢的碳含量来看，已处于“超高碳钢”的含碳范围。如果按照文献〔9〕所提到 的关于超高碳钢组织细化的方法，即除了采用热处理的方法以外，还可采用热机械加工的方 法，那么GCr6钢的铁素体晶粒可细化到小于24，而碳化物可细化到小于0.5μ，这时该 钢种的超塑性估计会有更大的提高。因此利用超塑性实现GC「6钢的加工成型、固相焊接等 工艺是完全可以期待的。另外，利用所述的组织细化的方法来改善轴承钢的使用性能也是完 全可以借鉴的。 结 论 1.GCr6钢约在温度650°~760℃，拉伸速度0.375~5毫米/分（相当于初始应变速 率为4.2×10-4~5.5×10一8秒-1)的条件下，可以实现超塑性。 2.GCr6钢的球化退火组织在710℃和拉伸速度为2毫米/分时的超塑性延伸率大于 100%,经二次淬火细化处理的试样在710℃和0.375毫米/分的条件下可获得大于400%的延 伸率数值。 3.随速度增加，超塑性延伸率的最大值倾向高温区偏移，与最大延伸率相应的最大载 荷时的工程应力为最小。 4.二次淬火细化处理的GC6钢具有明显的应变速率敏感性。在同一拉伸温度下最大 载荷时的工程应力随拉伸速度增加，在开始时增加比较急巨，而后趋于缓慢影相反，断裂时 延伸率开始下降得比较巨烈，而后趋于缓慢。 最后对参加本实验工作的北京稀土和有色金属研究所的张维奇同志表示感谢。 180

方面 减弱 了第二 相对 于稳定组织 的 作用 另一 方面 在第二 相和 铁素体的 界面 上易形成空洞 ， 空 洞的进一 步连 结或长大而导致 材料的断裂 。 讨 论 根据黑 色金属材料拉伸时延伸率超过 即进 入超塑性状态 的一般概念〔 〕 、 〔 〕 ， 在 。 ℃ 的试 验温 度范 围 内 ， 于所采 用 的拉伸速度下 ， 钢 的所有试样 包括 未 经 细 化处理的原始 组织试样 都可 呈 现出超塑性 并在 “ ℃和。 奄米 分 的 拉伸 速度 下进 入延伸率 的 良好状态 。 当拉伸速度提高到 毫米 分 时 ， 在 。 ℃ 的温度范 围仍 出现较好 的延 伸率数值 各 。 从表 来看 ， 二 次淬火的试样 比一次 、 四 次淬火的试样具有较好的超塑性性质 。 根据碳化 物的 形 态 ， 一次淬火组织 中碳 化物呈链状的趋 向应 该是 其超塑性延伸率低 于二次淬火的 一个 比较主 要 的原 因 。 从 四 次淬火试 样 的 金相组织来 看 ， 碳化物细 化的情况 优于一 、 二次淬火 的 ， 然而 超塑性延 伸率 并不 高 于二 次淬火 的试样 ， 多次淬火后 是 否有其 它因素影 响 例如 ， 由于多次淬火在 材料组织 中有微 裂纹 的存在 ， 等 等 ， 尚待进一 步研究 。 从 钢 的碳 含量来看 ， 已处 于 “ 超高碳钢 ” 的 含碳范 围 。 如果 按照文 献 〕所提到 的关 于超高碳钢组织 细 化的 方法 ， 即除 了采 用热处理 的方法 以外 ， 还可采用热机械加工 的 方 法 ， 那 么 钢 的铁素体晶粒可 细 化到小 于 卜 ， 而碳化物可细 化到小于 林， 这 时该 钢种 的超塑性估计 会有更 大的提高 。 因此 利用 超塑性实现 钢 的加工成型 、 固相焊 接 等 工 艺是完全可 以期待 的 。 另外 ， 利用所述 的组织细 化的方法来改 善轴承钢的使用性能 也是 完 全可 以借 鉴的 。 结 论 钢约在温度 。 ℃ ， 拉伸速度 毫米 分 相当于初始应 变速 率为 一 ‘ 一 吕秒一 ‘ 的 条件下 ， 可 以实现超塑性 。 钢 的球化退火组织在 ℃ 和拉伸速度为 毫米 分 时的超塑性延伸率大于 ， 经二次淬火细 化处理 的试 样在 。 ℃和 毫米 分 的 条件下可 获得大于 的延 伸率数值 。 随速度增 加 ， 超塑性延伸率 的最大值倾向高温区偏移 ， 与最大延伸率相应 的最大载 荷时的工 程应 力为最小 。 二次淬火细 化处理 的 钢具有明显 的应 变速率敏感性 。 在同一拉伸温度下最大 载荷时的工 程应 力随拉伸速度增 加 ， 在开 始时增加 比较急巨 ， 而后趋 于缓慢， 相反 ， 断裂 时 延伸率开始下降得 比较 巨烈 ， 而后趋 于缓慢 。 最后 对参加本实验工 作的北 京稀土 和有 色金属研究所 的张维奇同志 表示感谢

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