李立新，袁 翔，蘇雨萌，皮大光，劉建洋，李 彬

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081)

有關(guān)Pb基合金材料的耐腐蝕性能目前主要集中于鉛合金晶界處腐蝕狀況的研究。研究表明，鉛合金晶界處腐蝕狀況與其晶界能高低有關(guān)，而晶界能高低與再結(jié)晶程度密切相關(guān)，即再結(jié)晶程度越高，晶界能越低，抗腐蝕能力越強(qiáng)[1-3]。因此再結(jié)晶軟化程度即再結(jié)晶軟化率成為評價(jià)Pb基合金材料耐腐蝕性能的重要指標(biāo)。本文模擬現(xiàn)場工藝鉛板出卷時(shí)板卷中存在張力的情形，對變形量為30%的冷軋Pb-Ca-Sn-Al合金進(jìn)行熱力實(shí)驗(yàn)，對靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型Avrami方程系數(shù)進(jìn)行回歸，得出Pb-Ca-Sn-Al合金靜態(tài)再結(jié)晶模型，研究保溫時(shí)間、退火溫度和加載力對其靜態(tài)再結(jié)晶軟化率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為Pb-Ca-Sn-Al合金，其化學(xué)成分如表1所示。將實(shí)驗(yàn)材料加工成200 mm×25 mm×0.56 mm的試樣，測量試樣的初始硬度，用二輥軋機(jī)按30%的壓下量冷軋，測量軋后樣的硬度，對軋后樣按正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)在高溫箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行熱力處理(對爐內(nèi)處于退火過程的軋后樣在長度方向加載一定的彈簧拉力)，測量熱力處理后的試樣硬度，對正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作極差分析。

表1 Pb-Ca-Sn-Al合金化學(xué)成分(wB/%)

2 靜態(tài)再結(jié)晶模型線性方程

碳鋼靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型Avrami方程為[4-6]

(1)

式中：χ為靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)；t為靜態(tài)再結(jié)晶時(shí)間，s；tF為靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為F時(shí)所需時(shí)間，s；n為Avrami指數(shù)；B為常數(shù)。

當(dāng)靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)F為50%時(shí)，式(1)為

(2)

靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為50%所需時(shí)間

(3)

對于鉛合金靜態(tài)再結(jié)晶，變形量和變形速率為定值，如果不考慮軋制過程中的晶粒破碎，則試樣在退火前后晶粒大小基本不變。所以變形量、變形速率和原始晶粒尺寸等因素的影響可以計(jì)入常量A中；由于加載力F比鉛板的屈服強(qiáng)度小，加載力F和變形量ε為線性關(guān)系，在式(3)的εp中引入F，可得

(4)

將式(4)代入式(2)，有

(5)

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 合金再結(jié)晶軟化率的影響因素

表2 Pb-Ca-Sn-Al合金工藝參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對表2中的再結(jié)晶軟化率作極差分析，結(jié)果顯示，退火溫度T、保溫時(shí)間t、加載力F等因素對Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率影響的極差值分別為RT=0.4564，Rt=1.6907，RF=0.1344，可見，影響Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率的因素主次順序?yàn)椋罕貢r(shí)間t，退火溫度T，加載力F。

3.2 再結(jié)晶軟化率模型分析

根據(jù)式(4)，利用ORIGIN軟件對513～533 ℃溫度區(qū)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作線性回歸，所得線性方程系數(shù)回歸值如表3所示，回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)如表4所示。從表3中可看出，回歸后的方程系數(shù)相關(guān)度較高，r=0.9626。表4結(jié)果再次驗(yàn)證了影響Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率的因素主次順序?yàn)閠，T，F(xiàn)。根據(jù)表3中的回歸數(shù)據(jù)，結(jié)合式(5)得出Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率模型[7-10]為

χ=1+exp[0.693(t/(1×

(7)

對式(7)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得出保溫時(shí)間對Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率的影響如圖1所示。從圖1中可推算，當(dāng)保溫時(shí)間為10 s，退火溫度分別為513、523、533K時(shí)，相應(yīng)Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率分別為0.4996、0.5078、0.5120。可見，相同加載力和保溫時(shí)間條件下，退火溫度越高，再結(jié)晶軟化率越大。從圖1中還可看出，初始階段再結(jié)晶軟化率增長速率隨保溫時(shí)間延長而快速增大，當(dāng)保溫時(shí)間增至60 s時(shí)，再結(jié)晶軟化率的增長速率漸趨緩慢。根據(jù)Pb-Ca-Sn-Al合金靜態(tài)再結(jié)晶模型計(jì)算結(jié)果，退火溫度分別為513、523、533 K時(shí)，Pb-Ca-Sn-Al合金完成再結(jié)晶(軟化率為95%以上)所需保溫時(shí)間分別為790、820、940 s。

表3 線性方程系數(shù)回歸值

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

圖1保溫時(shí)間對Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率的影響

Fig.1EffectofsoakingtimeontherecrystallizationsofteningfractionofPb-Ca-Sn-Alalloy

4 結(jié)論

(1)影響Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率的因素主次順序?yàn)椋罕貢r(shí)間，退火溫度，加載力。

(2)相同加載力和保溫時(shí)間條件下，退火溫度越高，Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率越大。

(3)Pb-Ca-Sn-Al合金再結(jié)晶軟化率增長速率隨保溫時(shí)間延長而快速增大，當(dāng)保溫時(shí)間增至60 s時(shí)，再結(jié)晶軟化率的增長速率漸趨緩慢。

[1] 夏爽,周邦新,陳文覺,等.高溫退火過程中鉛合金晶界特征分布的演化[J].金屬學(xué)報(bào),2006,42(2):129-133.

[2] 張坤,王衛(wèi)國,方曉英,等.不同溫度軋制Pb-Ca-Sn-Al合金高溫退火后的晶界特征分布[J].金屬學(xué)報(bào),2008,44(6):652-658.

[3] 王衛(wèi)國,馮柳,張欣,等.冷軋變形Pb-Ca基合金在回復(fù)和再結(jié)晶過程中的晶界特征分布(GBCD)[C]//2005年全國計(jì)算材料、模擬與圖像分析學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國金屬學(xué)會(huì)材料科學(xué)分會(huì)，2005:381-382.

[4] Abouhilou F,Azzeddine H,Mehdi B,et al.Deformation and recrystallization texture，microstructure and kinetics of Pb-Ca-Sn alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011,21(8):1779-1784.

[5] Song K H,Chun Y B,Hwang S K.Direct observation of annealing twin formation in a Pb-base alloy[J].Materials Science and Engineering,2007(2):629-636.

[6] 竇曉峰,鹿守理,趙輝.Q235低碳鋼靜態(tài)再結(jié)晶模型的建立[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1999,21(1):20-22.

[7] 郭文顯,李愛菊,舒東.不同成分Pb-Ca-Sn-Al合金顯微結(jié)構(gòu)的比較[C]//中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)第十屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì).沈陽：中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)鉛酸蓄電池專業(yè)委員會(huì) ，2006:24-29.

[8] 張坤.Pb-Ca-Sn-Al合金軋制退火晶界特征分布研究[D].淄博:山東理工大學(xué)，2008.

[9] 李建平,姜洪鋒,毛大恒.軋制變形量對鑄軋鉛合金板帶性能的影響[J].材料工程,2012(4):17-21.

[10]張欣.固溶和預(yù)時(shí)效Pb合金冷軋退火后的晶界特征分布[D].淄博:山東理工大學(xué)，2007.