張云祥,余弛斌,杭乃勤,趙嘉蓉

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,湖北武漢,430081)

82B高碳鋼熱變形行為研究

張云祥,余弛斌,杭乃勤,趙嘉蓉

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,湖北武漢,430081)

采用單道次熱壓縮實驗方法,在Thermomaster-Z型熱模擬試驗機上模擬高碳鋼高速線材熱軋變形過程動態(tài)再結(jié)晶行為,測定82B高碳鋼在變形溫度為800～1 100℃、變形速率為0.1～50 s-1、變形程度為0～0.60條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線,利用曲線特征值確定高應(yīng)變速率下的變形激活能,根據(jù)實驗結(jié)果分析動態(tài)再結(jié)晶變形條件,建立動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖。

高碳鋼;變形激活能;動態(tài)再結(jié)晶

動態(tài)再結(jié)晶作為鋼材生產(chǎn)過程中的一個重要冶金物理現(xiàn)象,對于高碳高速線材鋼的組織性能控制有重要影響[1]。關(guān)于低碳鋼及其在低變形速率下的動態(tài)再結(jié)晶行為的研究較多[2-3],有關(guān)高碳鋼及其在高應(yīng)變速率下的熱變形行為的研究鮮見報道。本文采用單道次熱模擬實驗方法,在Sellars組織演變模型的基礎(chǔ)上,研究82B高碳鋼熱變形激活能及其動態(tài)再結(jié)晶變形條件,研究高碳鋼在高變形速率下的熱變形行為。

1 實驗材料及方案

試樣取自某高速線材車間SWRH82B高碳鋼坯,其化學(xué)成分(wB)為:0.82%C,0.21%Si, 0.74%M n,0.016%P,0.003%S,0.016%Cu, 0.174%Cr,0.018%Ni;試樣為中空管狀,外徑8 mm,內(nèi)徑6.4 mm,高12 mm。

圖1 單道次圓柱體壓縮熱模擬實驗工藝Fig.1 Diagram of single pass cylindrical compression experiment

對 35個試樣在 Thermomaster-Z熱模擬機上進行單道次壓縮試驗,實驗工藝如圖1所示。所有試樣均以10℃/s的速度加熱到1 100℃,保溫360 s;再以5℃/s的冷卻速度分別冷卻至800、850、900、950、1 000、1 050、1 100℃;分別以0.1、1、10、25、50 s-1的變形速率進行變形實驗;變形后立即以2℃/s的速度冷卻至600℃,再以15℃/s的速度快冷至室溫。

2 實驗結(jié)果

實驗所得試樣真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出,溫度為800～1 100℃時,在上述變形速率范圍內(nèi)試樣均發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶過程。變形溫度 T和應(yīng)變速率ε·等對奧氏體高溫變形行為都有明顯的影響。在給定的變形溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi),動態(tài)再結(jié)晶易發(fā)生于較高變形溫度和較低應(yīng)變速率條件下,并且隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增大,峰值應(yīng)力σP和峰值應(yīng)變εP增大,發(fā)生再結(jié)晶的臨界應(yīng)變值增大。

從圖2中還可以看出,高溫奧氏體的形變,通過加工硬化和動態(tài)軟化兩種機制同時起作用。在變形初期,加工硬化趨勢明顯,隨著變形量增大,位錯密度不斷增大,使得變形應(yīng)力不斷增大。同時,由于高溫條件下的變形,使得位錯容易通過滑移和攀移方式產(chǎn)生動態(tài)回復(fù),使加工硬化作用減弱,應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率減小;由于變形量的繼續(xù)增大,位錯密度不斷增大,內(nèi)部儲存能也繼續(xù)增大,當(dāng)變形量達到動態(tài)再結(jié)晶臨界變形程度時,將發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶;隨著變形的繼續(xù)進行,金屬內(nèi)部不斷發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的表現(xiàn)是隨應(yīng)變增加,應(yīng)力不斷減小。溫度為800～950℃、變形速率為0.1 s-1時,峰值應(yīng)變(峰值應(yīng)力所對應(yīng)的真應(yīng)變)為0.1～0.3;變形速率為1 s-1時,峰值應(yīng)變?yōu)?.2～0.3;變形速率為10、25 s-1時,峰值應(yīng)變?yōu)?.3～0.4;變形速率為50 s-1時,峰值應(yīng)變?yōu)?.4～0.5。

圖2 試樣真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves obtained at differnet strain rates

實際生產(chǎn)中的變形速率一般都會超過 10 s-1,發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變約為0.3～0.4,因此為了使軋件發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,應(yīng)盡量加大前面道次的壓下率,以利于奧氏體晶粒的細化。

3 確定變形激活能和建立 Zener-Hollomon方程

由于熱變形是一個熱激活的過程,因此溫度和變形速率對變形的影響可以通過引入 Zener-Hollomon參數(shù)進行研究,而 Z參數(shù)是峰值應(yīng)力的函數(shù),即:

式中:Q為變形激活能,kJ/mol;R為氣體常數(shù),R =8.314 J/(mol·K);T為絕對溫度,K;σP為峰值應(yīng)力,M Pa。

3.1 峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變計算

通過應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)整理出峰值應(yīng)力、應(yīng)變值數(shù)據(jù),并作出峰值應(yīng)力σp同溫度、應(yīng)變速率的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 溫度對試樣峰值應(yīng)力的影響Fig.3 Effect of temperature on the sample’s peak stress

圖4 應(yīng)變速率對試樣峰值應(yīng)力的影響Fig.4 Effect of strain rate on the sample’s peak stress

式中:n為模型系數(shù);A,α為與鋼種有關(guān)的參數(shù),A取值0.2,α取值0.012[5]。

由式(2)可得:

對式(3)兩邊取對數(shù),有:

3.2 溫度相關(guān)系數(shù)b值計算

b為Zener-Hollomon參數(shù)與溫度T的線性相關(guān)度,表征軋制溫度對 Z參數(shù)的影響程度。根據(jù)峰值應(yīng)力對應(yīng)的數(shù)據(jù),作出變形速率分別為0.1、1、10、25、50 s-1時ln sinh(ασP)同 1 000/ (T+273)的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5得到各直線平均斜率為 b=3.491 4。不同變形速率下的平均斜率b值相當(dāng)于消除了變形速率的影響。

圖5 不同變形速率下的b值Fig.5 b value at different strain rates

3.3 變形速率相關(guān)系數(shù)n值計算

n為描述真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的硬化指數(shù),本文計算n值時,采用固定變形溫度值對式(4)中求偏導(dǎo)數(shù),所以n稱之為變形速率相關(guān)系數(shù)。ln sinh(ασP)與之間存在線性關(guān)系,對數(shù)據(jù)進行線性回歸,其關(guān)系曲線的斜率平均值的倒數(shù)即為n。由此繪制lnsinh(ασP)與ln不同溫度下的數(shù)據(jù)點和擬合直線如圖6所示,得到直線斜率平均值的倒數(shù)為 n=5.079 8。

圖6 ln sinh(ασP)與在不同溫度下的數(shù)據(jù)點和擬合直線Fig.6 n value at differen t tem peratures

3.4 變形激活能Q值計算

將b和n值代入式(5),得到熱變形激活能為

Qdef=Rnb=147.408 kJ/mol

本文計算的變形激活能與文獻[6]報道的數(shù)據(jù)基本一致,本文計算結(jié)果與其他文獻報道結(jié)果對比如表1所示。

表1 本文結(jié)果與文獻報道結(jié)果對比(Qdef/kJ·mol-1)Table 1 Value of deformation activation energy

3.5 Zener-Hollomon方程

將Qdef值代入Zener-Hollomon參數(shù)方程(1)中,得:

4 動態(tài)再結(jié)晶體狀態(tài)圖

變形特征值,即峰值應(yīng)變εP和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εS可在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上峰值應(yīng)力處和應(yīng)力下降后第一個拐點處(或應(yīng)力降到穩(wěn)態(tài)處)得到。動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變值εC可根據(jù)εC=(0.6～0.85)εP算得,此處取εC=0.8εP。根據(jù)式(7)計算出不同條件下的 Z值如表2所示。

由εC和εS可繪制出動態(tài)再結(jié)晶圖。根據(jù)表2分別作變形速率為1、25 s-1時的動態(tài)再結(jié)晶圖 ,如圖7所示,圖7中A、B、C三個區(qū)域分別表示未動態(tài)再結(jié)晶、部分動態(tài)再結(jié)晶和完全動態(tài)再結(jié)晶。由圖7中可以看出,動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變在0.2～0.4之間,穩(wěn)態(tài)應(yīng)變在0.8～1.2之間,隨著變形溫度的提高,發(fā)生和完成動態(tài)再結(jié)晶所需要的臨界變形量逐漸減小。根據(jù)動態(tài)再結(jié)晶變形特征值表2可以看出:當(dāng) Z值較小時(變形溫度高、變形速率小),臨界應(yīng)變小;當(dāng) Z值較大時(變形溫度低、變形速率大),臨界應(yīng)變大。

表2 變形特征值Table 2 Deformation characteristic values

圖7 動態(tài)再結(jié)晶區(qū)域圖Fig.7 Recrystallizatioin regionalmap

由于完成再結(jié)晶過程的真應(yīng)變?yōu)?.8～1.2,即相當(dāng)于絕對壓下率為60%～80%,表明在進行高碳鋼軋制時,應(yīng)盡量增大前面高溫機架壓下量,后面機架絕對壓下率應(yīng)小于25%,方可避免發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

5 結(jié)語

(1)采用單道次熱模擬實驗方法,得到不同工藝條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,分析了82B高碳鋼的熱變形行為,利用曲線特征點確定高應(yīng)變速率下82B鋼的變形激活能(Qdef=14.740 8 kJ/mol),得出 Zener-Hollomon參數(shù)方程為 Z=exp

(2)82B高碳鋼發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界真應(yīng)變?yōu)?.2～0.4,動態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)態(tài)真應(yīng)變值為0.8～1.2,根據(jù)實驗結(jié)果可建立動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖。

[1] 趙嘉蓉,杭乃勤,張云祥.高碳鋼線材組織與性能預(yù)報模擬軟件的開發(fā)[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,29(2):112-114.

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Hot deformation behavior of high carbon steel 82B

Zhang Yunxiang,Yu Chibin,H ang N aiqin,Zhao Jiarong
(College of Materials Science and Metallurgy,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

Single comp ression deformation tests were conducted on Thermomaster-Z thermal simulator and dynamic recrystallization behavior of high carbon steel in high speed rolling was investigated.The true stress strain-curves w ere measured under the conditions of defo rmation temperature of 80 0～1 100℃,defo rmation rate of 0.1～50 s-1and strain of 0～0.60.By meansof the curve’s characteristic value and linear regression,the hot deformation activation energy in the condition of high strain rate for high carbon steel 82B was determined and it equaled 147 kJ/mol.The critical value of dynamic recrystallization occurred is analyzed and the dynamic recrystallization diagram is given.

high carbon steel;deformation activation energy;dynamic recrystallization

TG142.1+1

A

1674-3644(2010)05-0473-05

[責(zé)任編輯 彭金旺]

2010-06-07

張云祥(1970-),男,武漢科技大學(xué)副教授,博士.E-mail:zhangyunxiangwust@163.com

作者介紹:張云祥,男,1970年出生,1994年西安建筑科技大學(xué)金屬壓力加工系畢業(yè),2000年獲武漢科技大學(xué)材料加工工程碩士學(xué)位,2010年獲華中科技大學(xué)材料加工工程博士學(xué)位?，F(xiàn)為武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院副教授。主要從事材料成型計算機控制、控制軋制與控制冷卻、軋機設(shè)定及自動化、薄板坯連鑄連軋等課程教學(xué)。近10年發(fā)表論文20篇,其中被EI檢索4篇,被SCI檢索2篇。近年來作為項目負責(zé)人完成和正在承擔(dān)企業(yè)橫向合作課題2項,參與湖北省自然科學(xué)基金課題1項,武鋼、漣鋼橫向課題多項。2001年獲武漢科技大學(xué)教學(xué)成果二等獎“金屬材料加工工程專業(yè)課實驗教學(xué)體系研究”;2005年獲湖北省科技進步二等獎“硬線顯微組織與性能預(yù)報研究”;2008年獲湖北省科技進步二等獎“CSP冷軋薄板產(chǎn)品系列及深沖性能開發(fā)研究”;2010年獲發(fā)明專利“硬線顯微組織與性能預(yù)報研究”1項。主要研究方向:軋制過程計算機控制、軋制過程冶金學(xué)與軋材品種開發(fā)、連鑄連軋新技術(shù)等。