·1038· 工程科学学报，第41卷，第8期 end face of the compression sample increases 34%,and the Vickers hardness at the center of the compression sample reaches its maxi- mum value of 38.I HV.At the compression stage with displacement >7.0mm,the load increases exponentially,the value of the drum shape gradually decreases from its maximum value,the radial elongation of the end face of compression sample increases by 83.1% compared with that at 7.0mm displacement,and the Vickers hardness at the center of the compression sample reaches its minimum val- ue of 32.7 HV.The aforementioned experimental data show that,in the compression process with displacement s7.0 mm,the three non-uniform deformation zones within the compression sample are consistent with the traditional compression model;however,in the compression process with displacement >7.0mm,the center of the sample is no longer the deformation zone with the largest deforma- tion degree in the traditional compression model.That is,the deformation degree of the three nonuniform deformation zones changes at this stage.This change leads to sharp increase in the load and to a decrease in the drum shape.In addition,during the compression deformation process,the micro-deformation degree of the graphite particles is greater than that of the ferritic matrix in the three inhomo- geneous deformation zones.This is attributed to the crystal structure of graphite.In particular,graphite has a layered,planar structure in which bonding between layers occurs via weak van der Waals interactions,which enables layers of graphite to be easily separated or to slide past each other. KEY WORDS graphitized carbon steel;compression deformation;the load-displacement curve;value of drum shape;micro de- formation 石墨化碳素钢是顺应易切削钢无铅、低硫的发 变形不均匀明显，尤其在大变形情况下，应力-应变 展趋势而提出的，是完全符合当今对环境要求越来 曲线往往很难反映出压缩变形的真实情况，为此本 越严格的“绿色环保”概念的新材料山.该钢是 文从压缩变形过程中的载荷-位移曲线为切入点， 以铁素体+石墨为组织特征的碳钢：而现在使用的 根据载荷随位移的变化规律，分析该钢的压缩变形 碳钢，其加工时的组织常常为铁素体+珠光体，或铁 特征：对压缩试样三个不均匀变形区的显微硬度进 素体+粒状渗碳体等.由这样组织特点可见，该钢 行了测试，并以硬度值判断压缩试样各不均匀变形 将因室温变形时流动阻力小而具有良好的冷变形性 区的变化特征，同时对压缩试样各不均匀变形区中 能.这种钢材同时具有较高切削性能和冷成形性能 石墨粒子、铁素体的微观变形量进行了测量与分析. 的，兼备这两种性能在以前被业界认为是不可能的， 其适用于对切削性能、冷成形性能以及淬透性有较 1试验用钢制备及其试验方法 高要求的机械结构用钢，可用于制造螺栓、螺母、螺 试验用钢以45钢为原料，在ZG-50型真空感 钉、铆钉、自攻螺钉等各种机械标准件和紧固件.在 应电炉中对其进行熔化，炉内真空度为1.33Pa,微 标准件和紧固件的制造过程中常采用冷镦工艺，该 合金化后出钢，浇注成钢锭：然后对钢锭进行热锻成 工艺制造标准件和紧固件不但效率高、质量好，而且 型和680℃×10h的石墨化处理，其组织主要为铁 用料省、成本低，因此被认为是一种优质高效经济的 素体基体上弥散分布着石墨粒子，其中石墨粒子呈 加工方法. 团絮状，平均粒径在8um左右，如图1(a)所示.之 冷镦是在室温下利用金属塑性成型的，具有变 后将其加工成直径为6mm、高度为12mm的圆柱形 形程度大且不均匀的特点.在冷镦过程中变形体内 模拟试样.其主要化学成分（质量分数/%）为 部必然出现不均匀变形区，各区将因其变形程度不 0.46C,1.3Si.0.46Mn,0.009S,0.009P,0.006B. 同而具有不同的应变硬化.作者研究结果显示，变 在WDW-200D型万能材料试验机上对试样进 形体内各不均匀变形区的变形程度在冷镦变形过程 行室温压缩试验.试验前，在试样侧表面赤道位置 中随着变形程度的增加会发生改变，目前公开发表 加划出边长为2mm方形应变网格，如图1(b)所示. 的文献对此却少有报道. 试验时，材料试验机压块的压下速度为1mm· 由于冷镦变形可视为压缩变形，同时，压缩变形 min1、位移分别为2.4,4.8,7.0,9.0和10.72mm, 又是人们用来研究材料可加工性能的一种方便而实 则压缩试样对应的相对压下量分别为20%、40%、 用的实验方法[2】，因此，本文在万能材料试验机上 58.3%、75%和89.3%.试验后，观察试样表面有无 对以铁素体+石墨为组织特征的质量分数为 裂纹，测量压缩试样鼓形位置的直径、端面直径，以 0.46%含碳量的石墨化碳素钢进行室温下的压缩变 及侧表面赤道位置网格变形后的轴向尺寸H、周向 形试验.目前，对室温压缩变形行为的研究主要是 尺寸W:然后将压缩试样从中心沿压缩轴方向剖开， 通过分析应力-应变曲线来进行，但是室温下压缩 并对其剖面进行打磨、抛光以及体积分数为3%的工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 end face of the compression sample increases 34% , and the Vickers hardness at the center of the compression sample reaches its maxi鄄 mum value of 38郾 1 HV. At the compression stage with displacement > 7郾 0 mm, the load increases exponentially, the value of the drum shape gradually decreases from its maximum value, the radial elongation of the end face of compression sample increases by 83郾 1% compared with that at 7郾 0 mm displacement, and the Vickers hardness at the center of the compression sample reaches its minimum val鄄 ue of 32郾 7 HV. The aforementioned experimental data show that, in the compression process with displacement 臆7郾 0 mm, the three non鄄uniform deformation zones within the compression sample are consistent with the traditional compression model; however, in the compression process with displacement > 7郾 0 mm, the center of the sample is no longer the deformation zone with the largest deforma鄄 tion degree in the traditional compression model. That is, the deformation degree of the three nonuniform deformation zones changes at this stage. This change leads to sharp increase in the load and to a decrease in the drum shape. In addition, during the compression deformation process, the micro鄄deformation degree of the graphite particles is greater than that of the ferritic matrix in the three inhomo鄄 geneous deformation zones. This is attributed to the crystal structure of graphite. In particular, graphite has a layered, planar structure in which bonding between layers occurs via weak van der Waals interactions, which enables layers of graphite to be easily separated or to slide past each other. KEY WORDS graphitized carbon steel; compression deformation; the load鄄鄄 displacement curve; value of drum shape; micro de鄄 formation 石墨化碳素钢是顺应易切削钢无铅、低硫的发 展趋势而提出的,是完全符合当今对环境要求越来 越严格的“绿色环保冶 概念的新材料[1鄄鄄11] . 该钢是 以铁素体 + 石墨为组织特征的碳钢;而现在使用的 碳钢,其加工时的组织常常为铁素体 + 珠光体,或铁 素体 + 粒状渗碳体等. 由这样组织特点可见,该钢 将因室温变形时流动阻力小而具有良好的冷变形性 能. 这种钢材同时具有较高切削性能和冷成形性能 的,兼备这两种性能在以前被业界认为是不可能的, 其适用于对切削性能、冷成形性能以及淬透性有较 高要求的机械结构用钢,可用于制造螺栓、螺母、螺 钉、铆钉、自攻螺钉等各种机械标准件和紧固件. 在 标准件和紧固件的制造过程中常采用冷镦工艺,该 工艺制造标准件和紧固件不但效率高、质量好,而且 用料省、成本低,因此被认为是一种优质高效经济的 加工方法. 冷镦是在室温下利用金属塑性成型的,具有变 形程度大且不均匀的特点. 在冷镦过程中变形体内 部必然出现不均匀变形区,各区将因其变形程度不 同而具有不同的应变硬化. 作者研究结果显示,变 形体内各不均匀变形区的变形程度在冷镦变形过程 中随着变形程度的增加会发生改变,目前公开发表 的文献对此却少有报道. 由于冷镦变形可视为压缩变形,同时,压缩变形 又是人们用来研究材料可加工性能的一种方便而实 用的实验方法[12] ,因此,本文在万能材料试验机上 对以 铁 素 体 + 石 墨 为 组 织 特 征 的 质 量 分 数 为 0郾 46% 含碳量的石墨化碳素钢进行室温下的压缩变 形试验. 目前,对室温压缩变形行为的研究主要是 通过分析应力鄄鄄应变曲线来进行,但是室温下压缩 变形不均匀明显,尤其在大变形情况下,应力鄄鄄应变 曲线往往很难反映出压缩变形的真实情况,为此本 文从压缩变形过程中的载荷鄄鄄 位移曲线为切入点, 根据载荷随位移的变化规律,分析该钢的压缩变形 特征;对压缩试样三个不均匀变形区的显微硬度进 行了测试,并以硬度值判断压缩试样各不均匀变形 区的变化特征,同时对压缩试样各不均匀变形区中 石墨粒子、铁素体的微观变形量进行了测量与分析. 1 试验用钢制备及其试验方法 试验用钢以 45 钢为原料,在 ZG鄄鄄 50 型真空感 应电炉中对其进行熔化,炉内真空度为 1郾 33 Pa,微 合金化后出钢,浇注成钢锭;然后对钢锭进行热锻成 型和 680 益 伊 10 h 的石墨化处理,其组织主要为铁 素体基体上弥散分布着石墨粒子,其中石墨粒子呈 团絮状,平均粒径在 8 滋m 左右,如图 1(a)所示. 之 后将其加工成直径为 6 mm、高度为 12 mm 的圆柱形 模拟试 样. 其 主 要 化 学 成 分 ( 质 量 分 数/ % ) 为 0郾 46C,1郾 3Si,0郾 46Mn,0郾 009S,0郾 009P,0郾 006B. 在 WDW鄄鄄200D 型万能材料试验机上对试样进 行室温压缩试验. 试验前,在试样侧表面赤道位置 加划出边长为 2 mm 方形应变网格,如图 1(b)所示. 试验时, 材 料 试 验 机 压 块 的 压 下 速 度 为 1 mm· min - 1 、位移分别为 2郾 4,4郾 8,7郾 0,9郾 0 和 10郾 72 mm, 则压缩试样对应的相对压下量分别为 20% 、40% 、 58郾 3% 、75% 和 89郾 3% . 试验后,观察试样表面有无 裂纹,测量压缩试样鼓形位置的直径、端面直径,以 及侧表面赤道位置网格变形后的轴向尺寸 H、周向 尺寸 W;然后将压缩试样从中心沿压缩轴方向剖开, 并对其剖面进行打磨、抛光以及体积分数为 3% 的 ·1038·