Vol.27 No.4 许荣昌等：累积叠轧焊工艺改善普碳钢材料性能特征 449 将材料表面经过酸洗30min去除表面的氧 过超低温大变形强加工后，强度可以大大提高， 化铁皮，清水漂洗l0min去除表面残留的酸液， 而延伸率却降低. 然后用丙酮脱脂、应用不锈钢刷将材料表面硬化 经过累积叠轧后普碳钢材料的拉伸实验表 处理后叠合在一起，叠片周围密封防止加热时内 明，随着叠轧次数的增加，拉伸试样逐步由韧性 表面二次氧化，加热至530℃并保温30min,在北 断裂转向脆性断裂，加工硬化现象消失，从叠轧 京科技大学的强力轧机上进行轧制，一次压下率 第4道以后这种趋势已经比较明显，这是因为材 为50%，300℃退火，保温60min后将材料均分成 料未经再结晶，晶粒处于拉长破碎状态（见图4）. 两半.重复以上步骤，循环轧制6次，每次留取分 另一方面，经过夹杂物分析表明，随着叠轧次数 析试样.试样经过机械抛光用3%的硝酸酒精溶 的增加夹杂物的数量特别是氧化物夹杂数量增 液侵蚀显现组织，然后使用NEOPHOT21大型光 加，这也是导致材料韧性降低的原因之一. 学显微镜观察材料的金相组织，应用Cambridge 另外，随着ARB工艺道次增加，材料的弹性 S250MK2型扫描电子显微镜(SEM)与H-800透 模量出现降低的趋势，对于普通材料来说的弹性 射电镜(TEM)观察材料的微观组织.应用300kN 模量是原子结合力的表现，材料晶体受到应力以 微机控制电子万能力学实验机在室温下对材料 后，原子因受力偏离平衡位置，当原子间的作用 进力学性能测试， 力与晶体受到的应力平衡时晶体是弹性应变状 态，弹性模量低的材料原子结合力相对比较低向. 2结果与分析 ARB工艺叠轧次数n与材料层数N的关系可简单 表示为N=2n,当-6时N=64,当m=10时N=1024.材 2.1力学性能 料的厚度为5mm,经过ARB10次以后，材料的 实验用Q235母材抗拉强度.为385MPa,屈 服强度a,为255MPa,延伸率29%.经过ARB工艺 层厚仅为4.88μm,达到细晶钢晶粒的尺度m.但 6次叠轧以后材料的平均抗拉强度达到了797.5 是晶粒的变化是不规则的，所以材料经过ARB MPa,最低770MPa,最高840MPa,如图2所示.屈 工艺以后弹性模量的降低是由于材料层数增加 服强度a,最高达到750MPa,是母材的2.94倍.经 的结果：同时ARB工艺固有的界面人为处理，夹 过第1道叠轧材料的强度急剧升高至780MPa, 杂物的出现亦不可避免，在二者的共同作用下， 是母材的2.03倍：随着叠轧次数的增加材料的抗 材料表现出弹性模量降低.弹性模量降低的机理 拉强度增加，第5道叠轧时达到最大值，抗拉强 还需进一步的实验验证. 度达到840MPa,是母材(385MPa)的2.18倍：继续 2.2微观组织 叠轧强度反而下降.这是由于随着叠轧次数的增 光学和SEM显微组织（见图3和图4）表明， 加，氧化物夹杂物增加，结合面缺陷增加，从而降 材料的晶粒尺寸随着轧制次数的增加而明显变 低了材料的强度，但是，随着叠轧道次的增加材 小，母材的平均晶粒尺寸16μm,第2道轧制后平 料出现无屈服断裂的情况，延伸率呈下降趋势， 均品粒尺寸3m,第4道轧制后平均晶粒尺寸1 叠轧6次以后延伸率降低到7%.这是说明材料经 m,第6道轧制后平均晶粒尺寸0.7μm,光学组 织和SEM组织是一致的.轧向组织（图4(a),(b)和 30 抗拉强度 横断面组织（图4（©）可以看出，材料经过低温大 800 25 压下量轧制以后晶粒被拉长，并有部分破碎.另 700 20 到 外，可以看出，随着累积变形量的增加，铁素体体 积分数增加，晶粒更加细小. 15 600 由于经过多次叠轧焊，累积压下量比较大，层 延伸率 10 数较多(6次ARB为64层)，所以金属表面的氧化 500 5 膜以及内生原有夹杂物在强烈塑性变形的情况 4 下破碎，并且在产品机体内分布均匀，这在扫描 叠轧次数 图2叠轧次数与抗拉强度的关系曲线 电镜下可以清楚地看到（如图5所示），分析表明， Fig.2 Changes in mechanical properties of Q235 with the number 粒子主要是氧化物、氮化物、碳化物等材料带入 of cycles 的夹杂物，以及在加工过程中新带入的氧化铁夹V匕】 . 2 7 N 0 . 4 许荣 昌等 : 累积 皿轧焊 工 艺 改善普 碳 钢材 料性 能特 征 一 4 4 9 - 将材 料 表 面 经过 酸 洗 30 m in 去 除 表 面 的氧 化 铁皮 , 清水 漂 洗 10 m in 去除 表 面残 留的 酸 液 , 然 后用 丙酮 脱脂 、 应用 不锈 钢 刷将 材 料表 面 硬化 处理 后叠 合在 一 起 , 叠 片周 围密封 防止 加 热 时 内 表面 二 次氧 化 , 加 热至 5 30 ℃ 并 保 温 30 m in , 在 北 京科 技大 学 的强 力轧 机 上进 行 轧制 , 一 次压 下率 为 5 0% , 30 0 ℃ 退火 ,保温 60 m in 后 将 材 料均 分 成 两半 . 重 复 以上 步骤 , 循环 轧 制 6 次 , 每 次 留取 分 析试样 . 试样 经 过机 械 抛 光 用 3 % 的硝 酸酒 精 溶 液 侵蚀 显 现 组 织 , 然 后 使用 N E O P H O T ZI 大 型 光 学显 微镜 观 察 材料 的金 相组 织 , 应 用 C am ibr 鲍 e 5 2 5 0 M K2 型 扫描 电子 显微 镜 (S EM ) 与 H 一 8 00 透 射 电镜 ( T E M )观 察材料 的微 观 组织 . 应 用 3 0 kN 微 机 控制 电子 万 能力 学 实 验 机 在 室温 下对 材 料 进 力学 性 能测 试 . 2 结果 与分析 .2 1 力 学性 能 实 验 用 Q2 35 母材 抗 拉 强度 饥 为 38 5 M p a, 屈 服 强度 氏 为 2 5 M P a , 延伸 率 29 % . 经 过 A 丑B 工 艺 6 次 叠轧 以后材 料 的平 均 抗 拉 强度 达 到 了 797 , 5 M P a , 最 低 7 70 M P a , 最 高 8 4 0 M P a , 如 图 2 所 示 . 屈 服 强度 仇 最 高达 到 7 50 M P a , 是 母 材 的 .2 94 倍 . 经 过第 1 道 叠轧 材 料 的 强度 急 剧 升 高至 7 80 M P a , 是母 材 的 .2 03 倍 : 随着 叠轧 次数 的增加 材 料 的抗 拉 强 度增 加 , 第 5 道 叠 轧 时 达 到最 大 值 , 抗 拉 强 度 达 到 8 40 M P a , 是母 材 ( 3 8 5 M P a) 的 2 . 18 倍 ; 继 续 叠 轧 强度 反而 下 降 . 这 是 由于 随着 叠 轧 次数 的增 加 , 氧 化物 夹杂 物 增加 , 结合 面缺 陷增 加 , 从 而 降 低 了材 料 的 强度 . 但 是 , 随着 叠 轧道 次 的增加 材 料 出现 无 屈服 断 裂 的情 况 , 延 伸率 呈 下 降趋 势 , 叠轧 6 次 以后 延伸 率 降低 到 7% . 这 是 说 明材料 经 250巧310 抗拉强度 并母芝艘 延伸率 58076 川芝考ó ~ L 二 J S 0 2 4 6 叠 轧次数 图 2 亚 轧 次数 与抗拉 强度 的关 系 曲线 iF g . 2 C h a n g e s i n m e c h a n ic a l p 功P e川 e , o f Q 2 3 5 w it h th e n u m b e r o f e y e l e s 过 超低 温 大 变形 强 加 工后 , 强 度可 以大大 提 高 , 而延 伸 率 却 降低 . 经 过 累 积 叠 轧 后普 碳 钢 材 料 的 拉伸 实 验表 明 , 随着叠 轧 次数 的增 加 , 拉伸 试 样 逐步 由韧 性 断裂 转 向脆性 断裂 , 加 工 硬 化现 象 消 失 , 从 叠 轧 第 4 道 以后 这 种趋 势 已经 比 较 明显 , 这是 因 为材 料 未 经 再 结 晶 , 晶粒 处 于拉 长破 碎 状 态 (见 图 4) . 另一 方 面 , 经 过 夹杂 物 分 析表 明 , 随着叠 轧 次数 的增 加 夹 杂 物 的 数量 特 别是 氧 化 物 夹 杂数 量 增 加 , 这 也 是导 致材 料 韧 性 降低 的 原 因之 一仁5〕 . 另 外 , 随着 A R B 工 艺道 次 增加 , 材 料 的 弹性 模 量 出现 降低 的趋 势 . 对 于普 通材 料 来说 的弹 性 模 量是 原 子结 合力 的表现 , 材料 晶体受 到应 力 以 后 , 原子 因受 力偏 离 平衡 位 置 , 当原 子 间 的作用 力 与 晶 体 受到 的应 力 平 衡 时 晶体 是 弹 性 应 变状 态 , 弹性 模量 低 的材料 原子 结合 力相对 比 较低 `6] . A R B 工艺 叠 轧 次数 n 与材 料 层 数N 的 关系 可 简单 表 示 为刀二 Z n , 当 n = 6 时刀三 6 4 , 当 n 二 10 时刀汪 102 4 . 材 料 的厚度 为 5 m m , 经 过 A R B 10 次 以后 , 材料 的 层 厚 仅 为 .4 8 卜m , 达 到细 晶钢 晶粒 的尺度 口] 、 但 是 晶粒 的变 化 是不 规 则 的 , 所 以材 料 经过 A R B 工 艺 以 后 弹 性模 量 的 降低 是 由于材 料 层 数 增 加 的 结果 ; 同时 A R B 工 艺 固有 的界面 人 为 处理 , 夹 杂物 的 出现 亦 不 可 避免 , 在 二 者 的共 同作 用 下 , 材 料 表现 出弹性 模量 降低 . 弹性 模量 降低 的机理 还 需进 一步 的实验验 证 . .2 2 微 观 组织 光 学和 S E M 显 微组 织 ( 见 图 3 和 图 4) 表 明 , 材 料 的 晶 粒 尺 寸 随着 轧 制 次 数 的增 加 而 明显 变 小 , 母 材 的平 均 晶粒 尺 寸 16 林m , 第 2 道 轧制 后平 均 晶粒 尺 寸 3 林m , 第 4 道 轧制 后 平均 晶粒尺 寸 1 娜 , 第 6 道 轧 制 后平 均 晶粒 尺 寸 .0 7 卿 , 光 学组 织 和 S EM 组 织 是一 致 的 . 轧 向组织 ( 图 4( a), 伪 ))和 横 断 面组 织 (图 4( c) )可 以看 出 , 材料 经 过低 温 大 压 下量 轧制 以后 晶粒 被 拉长 , 并 有部 分破 碎 . 另 外 , 可 以看 出 , 随着 累 积变 形量 的增 加 , 铁 素体 体 积 分数 增 加 , 晶粒 更加 细 小 . 由于 经过 多 次叠 轧 焊 , 累积 压下 量 比 较 大 ,层 数 较 多 (6 次 A R B 为 64 层 ) , 所 以金属 表 面 的氧 化 膜 以及 内生 原 有夹 杂 物 在 强 烈 塑 性变 形 的情 况 下破 碎 , 并 且 在产 品机体 内分 布均 匀 , 这在 扫描 电镜 下 可 以清 楚地 看到 (如 图 5所 示 ) . 分 析表 明 , 粒 子 主 要 是氧 化物 、 氮 化 物 、 碳 化 物等 材料 带入 的夹 杂物 , 以及 在加 工过 程 中新 带入 的氧 化铁 夹