张永军等：石墨化碳素钢室温压缩过程中的不均匀变形行为 ·1041· 130 130 的压缩变形试样，位移为10.72mm压缩变形试样中 120 120 110 110 I区硬度增幅75.6HV:Ⅱ区硬度增幅32.7HV;Ⅲ 100 100 区硬度增幅为41.8HV,这说明在此变形阶段变形 0 90 8 延伸率 80 体内的I区、Ⅲ区的变形程度大于Ⅱ区，与传统压缩 70 模型中的难变形区、自由变形区和大变形区不再对 60 60 5 50 应了，此阶段图6(a)中的I区、Ⅲ区的应变硬化程 40 度均大于Ⅱ区.由此可见，压缩变形试样内的不均 30 20 匀变形区的应变硬化程度或变形程度在整个压缩变 10 鼓度 10 形过程中并不是固定不变的.在变形量比较小的压 04 40 60 80 1D0 缩变形过程中，变形体中的Ⅱ区因变形程度大而出 相对压下量/% 现了较大的应变硬化，其进一步塑性变形的变形抗 图5压缩试样鼓形程度、端面径向伸长率与相对压下量之间的 力将增大，而其他I区、Ⅲ区的变形程度较小，其应 关系 变硬化程度也较小，进一步塑性变形的变形力较低 Fig.5 Relation between value of drum shape,radial elongation of end face,and deformation degree 这样，当压缩变形程度进一步增大时，需要较小变形 力的【区、Ⅲ区是个相对弱区，其变形程度就会大于 硬度增加，其原因从微观上讲，主要是加工变形造成 需要较大变形力的Ⅱ区.概括来讲，在鼓形值增大 位错密度增加所致，即变形程度大的区域，对应的位 的压缩变形过程中，压缩试样内部的三个不均匀变 错密度也大.因此，可以根据硬度值的变化来判断 形区的变形程度是Ⅱ区>I区、Ⅲ区，即Ⅱ区仍为传 压缩试样各不均匀变形区的变化特征.对于压缩变 统压缩模型中的大变形区，在该变形阶段其应变硬 形试样内部的3个不均匀变形区（如图6(a)所示， 化程度或变形程度较大：在随后的鼓形值减小的压 I、Ⅱ、Ⅲ区)，不同变形区变形程度的差异在其硬 缩变形过程中，圆柱体压缩试样内部的三个不均匀 度上也会有所体现，一般变形程度大的变形区，即应 变形区的变形程度是I区、Ⅲ区>Ⅱ区，即此时Ⅱ区 变硬化程度大，其硬度值及其增幅也要大一些：相 已由传统压缩模型中的大变形区转变为小变形区， 反，变形程度小的变形区，即应变硬化程度小，其硬 在该变形阶段其应变硬化程度或变形程度变小.正 度值及其增幅也就会小一些.为此，本试验采用硬 因这种不均匀变形区变形程度的改变导致了该变形 度法分析压缩变形的不均匀应变硬化程度，进而反 阶段载荷的急剧增加、试样鼓形值的减小和端面径 映不同变形区变形程度的差异.由于大载荷下更能 向伸长率的急剧增大，这也将使变形体内不均匀变 反映材料的平均硬度，压痕尺寸更大，测试结果也会 形区之间的变形程度逐渐接近，即不均匀变形程度 更为准确，因此在测试硬度时尽可能采用较大的载 逐渐降低 荷，本实验所采用的载荷是200g 对于本试验来讲，在位移>7.0mm的压缩变形 试验用钢压缩试样硬度测试区域如图6(a)所 阶段，变形体内的I区、Ⅲ区由于先前的应变硬化低 示，测试区域选择在传统压缩模型中的三个不均匀 而成为较大变形区，致使压缩试样端面的径向延伸 变形区.三个区的维氏硬度与变形程度之间的关系 率随着位移量或相对压下量的增加而急剧增加， 如图6(b)所示.总体趋势是三个区的维氏硬度均 这不仅使压缩试样的鼓性特征降低，而且还由于 随着相对压下量的增大而增加，不同的是在增幅方 其使压缩试样端面尺寸增加，使得试样端面与压 面.在鼓度值随着变形程度增加而增大的压缩变形 块之间接触面积增加而导致压缩载荷随位移的急 过程中（位移≤7.0mm,即试样的相对压下量≤ 剧增大 58.3%),压缩试样中I区硬度增幅21.7HV,Ⅱ区 2.5压缩时试样中石墨、铁素体组织的微观变形特征 硬度增幅38.1HV,Ⅲ区硬度增幅为23.95HV,这说 试验钢在室温下进行压缩变形时，试样中心区 明在此变形阶段变形体内的I区、Ⅲ区的变形程度 域内部组织中的石墨粒子和铁素体基体均随相对压 小于Ⅱ区，这三个区域对应的就是传统模型中的难 下量的增大而逐渐被压扁，即在垂直于压缩方向上 变形区、自由变形区和大变形区，即试样中心位置Ⅱ 逐渐呈纤维状，如图7所示.由此图可见，随着变形 区的应变硬化程度最大：而在鼓度值随着变形程度 量的增加，石墨和铁素体纤维化明显，如40%、 增加而减小的压缩变形过程中（位移>7.0mm,即 54.2%相对压下量试样中的铁素体被压扁效果较为 试样的相对压下量>58.3%)，相对于位移为7.mm 明显（如图7(a)、(b)所示）：及至相对压下量达到张永军等: 石墨化碳素钢室温压缩过程中的不均匀变形行为 图 5 压缩试样鼓形程度、端面径向伸长率与相对压下量之间的 关系 Fig. 5 Relation between value of drum shape, radial elongation of end face, and deformation degree 硬度增加,其原因从微观上讲,主要是加工变形造成 位错密度增加所致,即变形程度大的区域,对应的位 错密度也大. 因此,可以根据硬度值的变化来判断 压缩试样各不均匀变形区的变化特征. 对于压缩变 形试样内部的 3 个不均匀变形区(如图 6( a)所示, 玉、域、芋区),不同变形区变形程度的差异在其硬 度上也会有所体现,一般变形程度大的变形区,即应 变硬化程度大,其硬度值及其增幅也要大一些;相 反,变形程度小的变形区,即应变硬化程度小,其硬 度值及其增幅也就会小一些. 为此,本试验采用硬 度法分析压缩变形的不均匀应变硬化程度,进而反 映不同变形区变形程度的差异. 由于大载荷下更能 反映材料的平均硬度,压痕尺寸更大,测试结果也会 更为准确,因此在测试硬度时尽可能釆用较大的载 荷,本实验所采用的载荷是 200 g. 试验用钢压缩试样硬度测试区域如图 6( a)所 示,测试区域选择在传统压缩模型中的三个不均匀 变形区. 三个区的维氏硬度与变形程度之间的关系 如图 6(b)所示. 总体趋势是三个区的维氏硬度均 随着相对压下量的增大而增加,不同的是在增幅方 面. 在鼓度值随着变形程度增加而增大的压缩变形 过程中( 位移臆7郾 0 mm,即试样的相对压下量臆 58郾 3% ),压缩试样中玉区硬度增幅 21郾 7 HV,域区 硬度增幅 38郾 1 HV,芋区硬度增幅为 23郾 95 HV,这说 明在此变形阶段变形体内的玉区、芋区的变形程度 小于域区,这三个区域对应的就是传统模型中的难 变形区、自由变形区和大变形区,即试样中心位置域 区的应变硬化程度最大;而在鼓度值随着变形程度 增加而减小的压缩变形过程中(位移 > 7郾 0 mm,即 试样的相对压下量 > 58郾 3% ),相对于位移为 7郾 mm 的压缩变形试样,位移为 10郾 72 mm 压缩变形试样中 玉区硬度增幅 75郾 6 HV;域区硬度增幅 32郾 7 HV;芋 区硬度增幅为 41郾 8 HV,这说明在此变形阶段变形 体内的玉区、芋区的变形程度大于域区,与传统压缩 模型中的难变形区、自由变形区和大变形区不再对 应了,此阶段图 6(a)中的玉区、芋区的应变硬化程 度均大于域区. 由此可见,压缩变形试样内的不均 匀变形区的应变硬化程度或变形程度在整个压缩变 形过程中并不是固定不变的. 在变形量比较小的压 缩变形过程中,变形体中的域区因变形程度大而出 现了较大的应变硬化,其进一步塑性变形的变形抗 力将增大,而其他玉区、芋区的变形程度较小,其应 变硬化程度也较小,进一步塑性变形的变形力较低. 这样,当压缩变形程度进一步增大时,需要较小变形 力的玉区、芋区是个相对弱区,其变形程度就会大于 需要较大变形力的域区. 概括来讲,在鼓形值增大 的压缩变形过程中,压缩试样内部的三个不均匀变 形区的变形程度是域区 > 玉区、芋区,即域区仍为传 统压缩模型中的大变形区,在该变形阶段其应变硬 化程度或变形程度较大;在随后的鼓形值减小的压 缩变形过程中,圆柱体压缩试样内部的三个不均匀 变形区的变形程度是玉区、芋区 > 域区,即此时域区 已由传统压缩模型中的大变形区转变为小变形区, 在该变形阶段其应变硬化程度或变形程度变小. 正 因这种不均匀变形区变形程度的改变导致了该变形 阶段载荷的急剧增加、试样鼓形值的减小和端面径 向伸长率的急剧增大,这也将使变形体内不均匀变 形区之间的变形程度逐渐接近,即不均匀变形程度 逐渐降低. 对于本试验来讲,在位移 > 7郾 0 mm 的压缩变形 阶段,变形体内的玉区、芋区由于先前的应变硬化低 而成为较大变形区,致使压缩试样端面的径向延伸 率随着位移量或相对压下量的增加而急剧增加, 这不仅使压缩试样的鼓性特征降低,而且还由于 其使压缩试样端面尺寸增加,使得试样端面与压 块之间接触面积增加而导致压缩载荷随位移的急 剧增大. 2郾 5 压缩时试样中石墨、铁素体组织的微观变形特征 试验钢在室温下进行压缩变形时,试样中心区 域内部组织中的石墨粒子和铁素体基体均随相对压 下量的增大而逐渐被压扁,即在垂直于压缩方向上 逐渐呈纤维状,如图 7 所示. 由此图可见,随着变形 量的增加, 石墨和铁素体纤维 化 明 显, 如 40% 、 54郾 2% 相对压下量试样中的铁素体被压扁效果较为 明显(如图 7( a)、( b)所示);及至相对压下量达到 ·1041·