林軍科，張福成，徐 明，湯鐵兵，楊志南，陳 晨,*

(1. 中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066000；2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3. 燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 引言

伴隨世界范圍內(nèi)工業(yè)化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的不斷加速，材料服役環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)向高載荷、超高溫、強(qiáng)腐蝕等極端條件，常規(guī)鋼鐵材料無(wú)法在如此嚴(yán)苛的環(huán)境下穩(wěn)定服役。為滿足鋼鐵材料在極端服役環(huán)境下的某一特殊性能要求，各類高合金鋼鐵材料不斷問(wèn)世[1-2]，用于制造化工、交通、建筑、機(jī)械制造等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件，如強(qiáng)腐蝕環(huán)境下服役的各類超級(jí)不銹鋼[1-4]，超高沖擊載荷環(huán)境下服役的超高/高錳合金鋼[4-10]等，保證了各行業(yè)安全、穩(wěn)定、快速發(fā)展。

關(guān)于高合金鋼鐵材料的研究工作，前期主要集中在成分設(shè)計(jì)[11]、化學(xué)性能[12]、力學(xué)性能[13-14]優(yōu)化等方面，以最大程度發(fā)揮其高合金的性能優(yōu)勢(shì)。然而，高合金鋼在滿足特殊使用需求的同時(shí)，其高合金含量也引起了熱塑性加工難題：高溫變形抗力大、熱塑性差、加工窗口窄等，加之煉鋼和鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷問(wèn)題，導(dǎo)致組織控制困難，熱加工缺陷頻發(fā)，成品率降低[15-17]。因此，研究高合金鋼在熱變形過(guò)程中的熱塑性問(wèn)題，成為解決其實(shí)際生產(chǎn)難題的關(guān)鍵。

1 熱塑性基本認(rèn)識(shí)

熱塑性是指金屬材料在熱軋、鍛造、熱擠壓等高溫壓力加工過(guò)程中，材料在外界應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形的能力[18-19]。金屬材料熱塑性通常利用高溫拉伸變形時(shí)的斷面收縮率進(jìn)行表征，通過(guò)不同變形工藝下的斷面收縮率大小確定最佳熱塑性變形區(qū)間，一般將斷面收縮率60%作為金屬材料熱塑性好壞的臨界標(biāo)準(zhǔn)[20]。優(yōu)異的熱塑性可以保證金屬材料在熱軋、鍛造、熱擠壓等高溫壓力加工過(guò)程中不開(kāi)裂，獲得高質(zhì)量零部件。

就金屬學(xué)理論而言，金屬材料的熱塑性主要受動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為、動(dòng)態(tài)回復(fù)行為以及晶界狀態(tài)等因素的影響[18, 21-22]。充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)可降低熱塑性變形過(guò)程中的應(yīng)力集中，使材料能夠承受更大的變形量，提高材料的熱塑性；穩(wěn)定、凈化的晶界狀態(tài)有利于抑制局部滑移失穩(wěn)，從而提高金屬材料的熱塑性。而變形溫度及速率[23]、材料的化學(xué)成分[24]、雜質(zhì)元素[25]、非基體相[26]、原始組織狀態(tài)[27]等均會(huì)對(duì)熱塑性變形過(guò)程中的再結(jié)晶及回復(fù)行為、晶界狀態(tài)產(chǎn)生影響，并最終決定其熱塑性。

2 熱塑性影響因素

2.1 熱變形參數(shù)

熱變形參數(shù)，即變形溫度和變形速率，是金屬材料熱塑性最直接的影響因素。對(duì)于某一特定的金屬材料而言，總會(huì)存在某個(gè)(某范圍)變形溫度和變形速率，可以在這個(gè)變形參數(shù)下開(kāi)展較大應(yīng)變的塑性變形，并能夠保證材料組織和性能的穩(wěn)定性[28-30]。Zou等人[28]在研究00Cr13Ni5Mo2超級(jí)馬氏體不銹鋼的熱塑性時(shí)得出，可以在1 140～1 200 ℃的溫度區(qū)間和0.1～50 s-1的應(yīng)變速率區(qū)間內(nèi)開(kāi)展大應(yīng)變的塑性變形，并且當(dāng)應(yīng)變速率大于15 s-1時(shí)，變形溫度可相應(yīng)降低。該鋼獲得最大熱塑性的變形參數(shù)為1 100～1 150 ℃和5 s-1。而超級(jí)304H奧氏體耐熱不銹鋼的在1 100 ℃和應(yīng)變速率高于0.5 s-1的情況下可進(jìn)行大應(yīng)變變形，其在1 100 ℃下的熱塑性遠(yuǎn)高于800 ℃下的熱塑性，但對(duì)于應(yīng)變速率的變化并不敏感(圖1)[29]?？梢?jiàn)，由于材料自身特性的原因，獲得最佳熱塑性的工藝參數(shù)并不相同，并且熱塑性不會(huì)隨變形溫度的升高呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系。

圖1 不同變形溫度和應(yīng)變速率下超級(jí)304H不銹鋼的熱塑性Fig.1 Thermoplasticity of super 304H stainless steel under different deformation temperatures and strain rates

一般而言，隨著變形溫度的提高和應(yīng)變速率的降低，均質(zhì)金屬材料的變形抗力逐漸降低。這是因?yàn)椋冃螠囟群蛻?yīng)變速率會(huì)影響金屬材料變形過(guò)程中的位錯(cuò)增殖、位錯(cuò)重排、動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[30- 31]。較高的變形溫度或較低的應(yīng)變速率為能量積累提供了更長(zhǎng)的時(shí)間，并且促進(jìn)界面上動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的形核與長(zhǎng)大以及位錯(cuò)的湮滅[31]，這個(gè)過(guò)程可以抑制晶界裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而獲得較高的熱塑性。但是，當(dāng)變形溫度進(jìn)一步提高時(shí)，由于晶界結(jié)合力的降低，金屬材料的熱塑性反而會(huì)逐漸降低[32]。

加熱溫度參數(shù)還會(huì)通過(guò)影響塑性變形時(shí)的微觀組織特征影響金屬材料的熱塑性。有研究顯示，M35高速鋼最佳熱塑性溫度為1 100℃，在低于該溫度的區(qū)間內(nèi)，溫度越高，熱塑性越好，而在高于1 100℃的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行熱變形時(shí)，溫度越高，熱塑性反而越來(lái)越差[33]。這是因?yàn)?，?dāng)高速鋼的變形溫度高于1 100℃時(shí)，基體上析出的小顆粒碳化物會(huì)發(fā)生熔化脫落，晶界上的碳化物也會(huì)發(fā)生溶解(圖2)，因此惡化了高速鋼的熱塑性。所以，合理選擇變形溫度和應(yīng)變速率是保證金屬材料獲得優(yōu)異熱塑性最直接的手段。

2.2 化學(xué)成分

1) 主要化學(xué)元素的影響

化學(xué)成分決定了金屬材料的物理、化學(xué)及力學(xué)性能。在常規(guī)熱變形條件下，低合金含量鋼鐵材料的熱塑性優(yōu)于高合金含量鋼鐵材料。對(duì)于單相均質(zhì)金屬材料而言，化學(xué)成分通過(guò)影響材料的物理性能和力學(xué)性能從而影響其熱塑性。例如，傳統(tǒng)高錳鋼(Fe-13%Mn-1.2%C)由于高C和高M(jìn)n的成分特點(diǎn)，決定了其線膨脹系數(shù)大而熱導(dǎo)率低的物理特性。在熱塑性加工過(guò)程中，當(dāng)坯料各部分溫度不均勻時(shí)，非常容易因變形不協(xié)調(diào)而引起局部開(kāi)裂[34]。對(duì)于高C高Cr冷作模具鋼，由于高淬透性、高硬度、高耐磨性和長(zhǎng)壽命的性能要求，其Cr含量一般可達(dá)10%以上，C含量在1.4%～2.3%。如此高的C和合金元素含量，致使在鑄態(tài)條件下沿晶界析出大量網(wǎng)狀碳化物，降低鋼的熱塑性，增加熱變形加工難度[35]。而在超級(jí)不銹鋼中，由于Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素的含量極高(一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)50%)，固溶強(qiáng)化效應(yīng)明顯，高溫強(qiáng)度大繼而增大其熱變形抗力，從而降低其熱塑性[36]。除此之外，高合金含量的化學(xué)成分還會(huì)導(dǎo)致鋼鐵材料凝固組織粗大和偏析嚴(yán)重的問(wèn)題，進(jìn)而惡化其熱塑性。

圖2 M35高速鋼在不同熱變形條件下的顯微組織Fig.2 Microstructures of M35 high speed steel under different hot deformation conditions

2) 微量元素的影響

金屬材料中的微量元素，如P、S、Pb、Sn、B、Ti、Ca等，均會(huì)對(duì)其熱塑性產(chǎn)生一定影響。在高速鋼中，S元素極易在晶界產(chǎn)生偏聚，即使鋼中的S質(zhì)量含量降低至0.002%，也可以在奧氏體晶界上檢測(cè)到明顯的S偏聚，鋼中S含量越高，奧氏體晶界上偏聚的S也就越多。S與金屬的鍵合屬于非金屬性鍵合，這種非金屬性鍵合不利于滑移的進(jìn)行，因此，偏聚在晶界上的S不利于沿晶界變形，進(jìn)而損害熱塑性。S的含量越高，對(duì)熱塑性的損害作用也就越明顯[25]。在高錳鋼中，鋼中的P會(huì)偏聚在奧氏體晶界，與Fe和Mn生成一種低熔點(diǎn)三元共晶產(chǎn)物(圖3b)，高溫變形時(shí)易導(dǎo)致晶界熔化，而鋼中的S則容易與Mn元素形成MnS夾雜物(圖3c)，高溫下MnS與奧氏體基體的變形不協(xié)調(diào)。研究表明，晶界的低熔點(diǎn)P共晶化合物和晶內(nèi)MnS夾雜物會(huì)顯著降低高錳鋼的零熱塑性溫度(圖4)以及熱塑性溫度區(qū)間[37]。張福成教授等人[37]在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將高錳鋼零熱塑性溫度與P、S含量的關(guān)系歸納為

T=1 248-1 530wS-1 651wP，

圖3 高錳鋼經(jīng)高溫變形后掃描電子顯微鏡分析Fig.3 SEM analysis of high manganese steel after high-temperature deformation

圖4 高錳鋼零熱塑性溫度與P、S含量的關(guān)系Fig.4 Zero thermoplastic temperatures of high manganese steel as functions of P and S contents

其中，T為零熱塑性溫度，wS為鋼中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wP為P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并據(jù)此制定了可鍛高錳鋼轍叉P、S含量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

在P91鐵素體耐熱鋼中分別進(jìn)行S和Sn摻雜后發(fā)現(xiàn)，兩種鋼在700～960℃區(qū)間內(nèi)均存在一個(gè)非常明顯的熱塑性低谷區(qū)，并且含S鐵素體耐熱鋼的熱塑性明顯低于含Sn鐵素體耐熱鋼(圖5)。700～960℃出現(xiàn)熱塑性低谷的原因，一方面是在該溫度區(qū)間加熱時(shí)，原奧氏體晶界形成先共析鐵素體薄膜，導(dǎo)致熱塑性降低；另一方面，塑性變形誘導(dǎo)Sn和S在原奧氏體晶界發(fā)生偏聚，降低了晶界強(qiáng)度。另外，S與鋼中合金元素形成夾雜物，導(dǎo)致含S鐵素體耐熱鋼熱塑性低于含Sn鐵素體耐熱鋼[38]。但是，近期的一項(xiàng)研究結(jié)果卻顯示，在一種反應(yīng)堆壓力容器用鋼SA508Gr.4N中摻雜元素P可提高該鋼的熱塑性，并且P摻雜鋼的熱塑性低谷要比無(wú)P摻雜鋼的淺[39]。他們認(rèn)為，雜質(zhì)元素的這種異常效應(yīng)是由P元素偏聚晶界抑制晶界滑移所引起的。這一研究結(jié)果也改變了人們對(duì)于雜質(zhì)元素?fù)p害鋼熱塑性的固有認(rèn)識(shí)，但毫無(wú)疑問(wèn)的是，P的含量必須控制在一定的含量范圍內(nèi)才能對(duì)熱塑性起到這種促進(jìn)作用。

圖5 含S和含Sn鐵素體耐熱鋼的熱塑性曲線Fig.5 Thermoplastic curves of ferritic heat-resistant steels containing S and Sn

2.3 非基體相

一般情況下，由于金屬中的非基體相與材料基體的力學(xué)特性差異，在變形過(guò)程中容易造成析出相與基體變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致析出相與基體界面萌生裂紋，從而損害金屬材料的熱塑性。按照非基體相的來(lái)源，基本可以分為外界雜質(zhì)元素引入的非金屬相和金屬基體中的析出相兩類。

鋼中的殘留合金元素或合金化引入的其他合金元素與鋼中的O、N反應(yīng)生成非金屬相，如Al2O3、AlN、MgO、MnO，或這些化合物的混合產(chǎn)物(圖6)。非金屬相的分布、形態(tài)及數(shù)量均會(huì)對(duì)鋼的熱塑性產(chǎn)生影響。Wang等人[40-41]的研究結(jié)果顯示，隨著高錳鋼中Al含量的增加，鋼中主要的非金屬相按照MnO/(MnO+MnS)→MnS/(Al2O3+MnS)→AlN/(Al2O3+MnS)/(MgAl2O4+MnS)→AlN的順序發(fā)生變化。奧氏體晶界上析出的非金屬相會(huì)抑制熱變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程并因此降低熱塑性(圖7)，而晶內(nèi)的非金屬相對(duì)熱塑性的影響較小。另外，傳統(tǒng)高錳鋼化學(xué)成分中包含0.9%～1.5%C(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，如此高的碳含量容易使其在300～900°C溫度區(qū)間停留時(shí)產(chǎn)生碳化物[42]。高溫變形時(shí)，晶界碳化物和晶內(nèi)針狀碳化物與奧氏體基體變形不協(xié)調(diào)，從而降低高錳鋼的熱塑性。這也是造成高錳鋼熱塑性變形溫度區(qū)間窄的主要原因。

圖6 高錳鋼中非金屬夾雜物的類型Fig.6 Non-metallic inclusions in high manganese steel

超級(jí)不銹鋼中的析出相σ、γ、χ同樣會(huì)對(duì)其熱塑性產(chǎn)生不利影響，其含量和分布情況對(duì)超級(jí)不銹鋼的熱塑性影響顯著。在超級(jí)奧氏體不銹鋼中，因化學(xué)成分偏析形成的σ相，會(huì)對(duì)其熱塑性產(chǎn)生非常不利的影響。而在超級(jí)雙相不銹鋼中，σ相傾向分布于δ/γ相界面處(圖8)，進(jìn)一步惡化δ相和γ相之間變形的協(xié)調(diào)性，促使相界面產(chǎn)生裂紋，損害其熱塑性[43]。由此可見(jiàn)，在熱塑性變形前，應(yīng)盡量避免組織中存在大量的析出相，尤其是硬脆相，從而保證高合金鋼鐵材料塑性變形的協(xié)調(diào)性，提高其熱塑性。

圖7 高錳鋼晶界AlN非金屬夾雜物Fig.7 Non metallic inclusion of AlN at grain boundary of high manganese steel

圖8 超級(jí)雙相不銹鋼δ/γ相界面處的σ相及相應(yīng)的EDS能譜線掃描分析結(jié)果Fig.8 σ phase at the interface of δ and γ phases in super dual-phase stainless steel and the corresponding liner SEM-EDS results

2.4 原始組織狀態(tài)

鋼中的原始組織狀態(tài)，如鑄態(tài)組織凝固方向、晶粒形態(tài)及尺寸等，均會(huì)對(duì)金屬材料的熱塑性產(chǎn)生影響。K?mi和Karjalainen[44]曾對(duì)比研究了兩種超級(jí)奧氏體不銹鋼(20Cr-4.5Mo-25Ni-1.5Cu和20Cr-6Mo-20Ni-0.2N)和一種超級(jí)鐵素體-奧氏體不銹鋼(22Cr-3Mo-5Ni-N)的熱塑性。在他們?cè)O(shè)計(jì)的熱變形工藝中，裂紋問(wèn)題只出現(xiàn)在原始狀態(tài)為鑄態(tài)組織的鋼中，而經(jīng)過(guò)部分再結(jié)晶處理的鋼中都不存在裂紋問(wèn)題，并且，熱塑性的高低與不銹鋼中靜態(tài)再結(jié)晶的程度無(wú)關(guān)，而是由晶粒尺寸和相尺寸控制的。而Li等人[45]發(fā)現(xiàn)，在熱塑性變形過(guò)程中，晶界滑移引起晶界微孔聚集和裂紋沿晶界擴(kuò)展是導(dǎo)致馬氏體耐熱鋼發(fā)生熱脆性的主要原因(圖9)，在較高溫度下變形時(shí)，原始組織中細(xì)小的奧氏體晶?？赏ㄟ^(guò)控制沿晶裂紋的擴(kuò)展并促進(jìn)動(dòng)態(tài)再晶界起到提高熱塑性的作用，但對(duì)于較低溫度條件下的熱塑性影響較小。因此，細(xì)化原始奧氏體晶粒尺寸成為在一定溫度區(qū)間內(nèi)提高耐熱鋼熱塑性的方法之一。

圖9 馬氏體耐熱鋼在800 ℃拉伸變形時(shí)的晶間裂紋Fig.9 Intergranular cracks in martensitic heat-resistant steel formed during tensile deformation at 800 ℃

原始鑄態(tài)凝固組織是影響超級(jí)不銹鋼熱塑性的另一個(gè)重要因素。在熱變形過(guò)程中，加載方向影響連續(xù)柱狀晶超級(jí)奧氏體不銹鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為[46]。當(dāng)柱狀晶凝固方向與加載方向一致時(shí)，熱變形使晶界發(fā)生彎曲并產(chǎn)生鋸齒，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核更容易發(fā)生在晶界上(圖10)；而當(dāng)柱狀晶凝固方向垂直于加載方向時(shí)，晶界保持平直，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核多發(fā)生在滑移帶上(圖11)，這便增加了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核的形成能，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更加困難。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是高溫塑性變形的主要機(jī)制，所以，當(dāng)柱狀晶的凝固方向與加載方向一致時(shí)，超級(jí)不銹鋼的熱塑性更佳。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于柱狀晶發(fā)達(dá)的金屬材料，可通過(guò)調(diào)整變形加載方向來(lái)獲得更好的熱加工性能。

GB代表晶界，SB代表滑移帶

3 提高熱塑性的方法

在金屬材料熱塑性變形過(guò)程中，通過(guò)控制合理的加熱溫度和變形速率，無(wú)疑可提高其熱塑性。除此之外，通過(guò)稀土處理、預(yù)變形處理、改進(jìn)成形方法等，改善鑄造組織，降低雜質(zhì)元素含量，可進(jìn)一步提高金屬材料熱塑性。

3.1 稀土處理

目前，在金屬材料中加入適量稀土元素，通過(guò)變質(zhì)、凈化等作用以改善金屬材料熱塑性已經(jīng)獲得了較為廣泛的研究。根據(jù)羅迪等人[47]的研究結(jié)果，高速鋼中加入稀土元素后，可以使晶界上的S含量明顯減少，甚至完全消失，但對(duì)P只能起到減少的效果，無(wú)法完全消除。一方面，稀土元素可偏聚在晶界/相界上，占據(jù)晶界/相界位置，另一個(gè)方面，稀土可與雜質(zhì)元素形成化合物上浮排出鋼液，降低基體中雜質(zhì)元素的含量[46]。另外，稀土元素提高高速鋼的熱塑性還體現(xiàn)在對(duì)鋼中碳化物的影響上[48]。在高速鋼中加入稀土元素后，可有效減少鋼中大尺寸碳化物的數(shù)量，并減小碳化物間距，減少高速鋼中的顯微孔洞，降低鋼的脆性并抑制裂紋的形成。

在超級(jí)不銹鋼中，稀土對(duì)硫化物可起到改性的冶金功能。在稀土加入量較高時(shí)，稀土可以與鋼中Pb、Sn、P、Cu等低熔點(diǎn)雜質(zhì)發(fā)生交互作用，抑制這些雜質(zhì)元素在晶界偏聚，起到凈化晶界的作用，達(dá)到提高熱塑性的目的[49]。與此同時(shí)，鋼中殘留的稀土元素對(duì)碳氮原子的極化作用可阻礙碳氮原子進(jìn)入位錯(cuò)，弱化對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，從而促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。在超級(jí)雙相不銹鋼中，稀土元素還有助于提高鋼中奧氏體的相含量從而提高其熱塑性[50]。盡管稀土對(duì)提高超級(jí)不銹鋼的熱塑性有諸多有益作用，但控制適當(dāng)?shù)南⊥良尤肓恳彩谦@得優(yōu)異熱塑性的關(guān)鍵。

添加稀土還會(huì)對(duì)鋼的原始鑄造凝固組織產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其熱塑性。研究顯示，鐵素體不銹鋼的凝固組織隨稀土Ce添加量的不同而發(fā)生變化。當(dāng)鋼中的Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.023%時(shí)，Ce含量越多，鑄態(tài)組織中等軸晶所占的比例隨之增大，但當(dāng)Ce含量進(jìn)一步增多時(shí)，鑄態(tài)組織中等軸晶所占比例又不斷減少(圖12)[51]。原始鑄造凝固組織通過(guò)影響高溫變形過(guò)程中的激活能、動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制等影響鋼的熱塑性，因此，通過(guò)稀土處理改善超級(jí)不銹鋼粗大的鑄態(tài)凝固組織是提高其熱塑性的重要途徑。

圖12 鐵素體不銹鋼添加不同含量稀土Ce后的凝固組織Fig.12 Solidification microstructures in ferritic stainless steels containing different contents of Ce

在高合金耐熱鋼的應(yīng)用中，鋼中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%～0.08%的稀土，可顯著提高其在750～1 250 ℃溫度范圍內(nèi)的熱塑性，并有效消除塑性低谷區(qū)，擴(kuò)大奧氏體耐熱鋼的安全加工工藝溫度區(qū)間[52]。Chen等人[53]在研究微量釔對(duì)奧氏體耐熱鋼熱塑性的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)預(yù)先鍛造和熱軋?zhí)幚淼匿撝写嬖诖罅考?xì)小的球狀富釔氧化物，這些富釔氧化物會(huì)沿軋制方向不均勻地分布在奧氏體基體上(圖13)。富釔氧化物的存在使得該區(qū)域內(nèi)的奧氏體晶粒比基體上其他區(qū)域的晶粒細(xì)化一個(gè)量級(jí)。他們通過(guò)觀察拉伸斷口中的沿晶斷裂傾向，確定了添加稀土釔可提高耐熱鋼奧氏體晶界的結(jié)合力，并將其歸因于稀土釔雜質(zhì)元素硫在晶界偏聚的抑制作用，最終提高了奧氏體耐熱鋼的熱塑性。

近年來(lái)，利用稀土對(duì)高錳鋼進(jìn)行處理獲得純凈高錳鋼的方法受到了一定關(guān)注。稀土不僅起到變質(zhì)劑的作用，細(xì)化并球化鋼中的夾雜物，殘留在鋼中的稀土還可以強(qiáng)化和凈化奧氏體晶界[54-55]。稀土對(duì)高錳鋼中夾雜物和晶界的有益效果對(duì)提高其熱塑性無(wú)疑是有利的。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，張福成教授課題組綜合利用吹氮喂重稀土爐外精煉技術(shù)、高致密鑄造技術(shù)、局部鍛造和形變熱處理技術(shù)，在改善高錳鋼材料本身熱塑性的同時(shí)，成功地解決了高錳鋼轍叉難以鍛造加工的世界性難題，大幅提高了高錳鋼轍叉的使用壽命[56]。

3.2 預(yù)變形處理

為了提高難熱變形金屬材料的熱塑性，通過(guò)引入預(yù)變形(冷變形或熱變形)處理工藝，不僅可以改善金屬材料的原始組織狀態(tài)，還可以為最終熱變形的再結(jié)晶過(guò)程提供額外的驅(qū)動(dòng)力，抑制變形中裂紋的萌生和擴(kuò)展，減小熱變形過(guò)程中的開(kāi)裂傾向。Milovic＇等人[57]研究了鑄態(tài)高速鋼和預(yù)先熱軋或熱鍛高速鋼的熱塑性，他們發(fā)現(xiàn)，盡管鑄態(tài)高速鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變更低，軟化程度更高，但經(jīng)過(guò)預(yù)先熱軋或熱鍛處理的高速鋼的熱塑性仍明顯優(yōu)于鑄態(tài)高速鋼。預(yù)先熱加工處理后，高速鋼基體中幾乎沒(méi)有連續(xù)的沿晶界網(wǎng)狀碳化物，而是以均勻分布的細(xì)小碳化物為主，而鑄態(tài)高速鋼中的晶界網(wǎng)狀碳化物容易造成碳化物裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終造成低的熱塑性。

圖13 含釔奧氏體耐熱鋼中的球狀富釔氧化物Fig.13 Spherical yttrium rich oxide in yttrium bearing austenitic heat resistant steel

另外，利用在不同熱處理溫度下進(jìn)行多道次變形以提高金屬材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶趨勢(shì)的方法獲得了一定研究。Liu等人[58]在研究一種2101雙相不銹鋼高溫變形行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，多道次變形與單道次變形條件下，鋼的軟化機(jī)制不同。多道次變形時(shí)，雙相不銹鋼獲得了更多的再結(jié)晶織構(gòu)，軟化效應(yīng)更明顯。這種多道次高溫變形的方法可以認(rèn)為是在終變形前進(jìn)行預(yù)先熱變形處理，為終變形提供動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要的組織和能量準(zhǔn)備，從而提高其熱塑性。

3.3 改進(jìn)成形方法

通過(guò)改進(jìn)鑄造成形方法，改善鑄態(tài)凝固組織有助于提高金屬材料的熱塑性[59]。在金屬鑄錠中的枝晶區(qū)域，二次枝晶間隙直接影響析出物的尺寸、數(shù)量及分布[60]。利用定向凝固電渣重熔技術(shù)可有效改善鑄錠中的合金元素偏析和凝固收縮行為(圖14)，從而大幅降低二次枝晶間隙。在Qi等人[59]的研究中，通過(guò)定向凝固電渣重熔制造的熱作模具鋼鑄錠中的二次枝晶間隙比常規(guī)電渣重熔制造的減小一半，并且，由于受到晶界碳化物不同驅(qū)動(dòng)力方向的影響，定向凝固電渣重熔鑄錠中初生碳化物更加細(xì)小，碳化物的分布更加彌散。這種凝固組織狀態(tài)對(duì)于提高模具鋼的熱塑性無(wú)疑是非常有利的。

圖14 奧氏體熱作模具鋼在不同電渣重熔工藝下的凝固行為示意圖Fig.14 Schematic diagrams of solidification behavior of austenitic hot work die steel under different electroslagremelting processes

利用斜坡預(yù)結(jié)晶法制備出高速鋼半固態(tài)鑄坯再進(jìn)行后續(xù)的熱塑性加工，是提高高速鋼熱塑性的重要手段[61]。半固態(tài)加工技術(shù)可將高速鋼鑄坯中原本發(fā)達(dá)的樹(shù)枝狀晶變?yōu)榧?xì)小圓整的等軸晶(圖15)。與此同時(shí)，利用半固態(tài)加工技術(shù)獲得的鑄坯中的共晶碳化物比傳統(tǒng)鑄坯中的更薄，且網(wǎng)狀碳化物的連續(xù)程度也大幅降低。在熱變形參數(shù)控制上，變形溫度越高，半固態(tài)加工高速鋼的熱塑性提高幅度越大，但在單向應(yīng)力狀態(tài)下的最優(yōu)熱塑性區(qū)間沒(méi)有發(fā)生變化，仍集中在900～1 200 ℃。

另外，利用粉末冶金方法制備的金屬材料可消除一般鑄造金屬材料常有的碳化物偏析等問(wèn)題，提升金屬材料的熱塑性。利用粉末冶金制備的高速鋼甚至可不經(jīng)后續(xù)熱軋/熱鍛處理，直接制備出刀具的型坯，徹底解決高速鋼熱塑性差的難題[62]。然而，利用粉末冶金制備的金屬材料成本較高，在大規(guī)模應(yīng)用上受到諸多限制。

4 難熱變形鋼鐵材料的熱塑性研究展望

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)鍵零部件的性能要求也越來(lái)越高，熱變形作為調(diào)控金屬材料微觀組織狀態(tài)、提升金屬材料性能并獲得特定形狀尺寸的工藝方法，其重要性不言而喻。尤其對(duì)于在極端條件下服役的金屬材料，由于其合金元素含量高，加之材料本身組織特性的影響，熱塑性差成為制約其開(kāi)展熱變形工藝的關(guān)鍵問(wèn)題。除控制常規(guī)熱塑性變形溫度和變形速率外，利用其他工藝手段如凈化鋼液、強(qiáng)化晶界、改善凝固組織、引入預(yù)變形等，有利于提高難熱變形鋼鐵材料的熱塑性。然而，在控制熱塑性變形機(jī)理上，當(dāng)前的研究工作仍有所欠缺，大多數(shù)研究工作仍停留在現(xiàn)象級(jí)的熱塑性指標(biāo)方面，在提高熱塑性機(jī)制方面的研究較少。因此，利用金屬學(xué)原理，通過(guò)研究熱塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)、層錯(cuò)、孿晶、常規(guī)晶界、相界面的演變規(guī)律以及對(duì)高溫動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制的影響，進(jìn)一步深入挖掘可提高難熱變形鋼鐵材料熱塑性的方法，將成為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)高合金金屬材料熱變形研究的重點(diǎn)。

圖15 M2高速鋼半固態(tài)坯料與常規(guī)坯料的金相組織(×200)Fig.15 Optical images of M2 high speed steel in states of Semi solid and conventional billets