張秀芝　王　宇　李　佳　楊仁杰

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

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Q345E鋼奧氏體晶粒長大規(guī)律研究

張秀芝王宇李佳楊仁杰

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

摘要：以大型風(fēng)電法蘭常用材料Q345E鋼為研究對象，應(yīng)用金相顯微鏡分析研究了1 050～1 200℃區(qū)間內(nèi)加熱溫度與保溫時間對Q345E鋼奧氏體晶粒長大的影響，并探討了其動力學(xué)規(guī)律，獲得了該鋼奧氏體晶粒在高溫下的長大規(guī)律，建立了晶粒長大的動力學(xué)模型，為Q345E鋼大型鍛件熱加工工藝的制定提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大型環(huán)鍛件；Q345E鋼；晶粒長大；動力學(xué)模型

風(fēng)電作為一種環(huán)保潔凈的綠色可再生能源，有著優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、促進社會和經(jīng)濟可持續(xù)和諧發(fā)展等方面的重大優(yōu)勢，是未來電力能源發(fā)展的一個趨勢[1]。風(fēng)電塔筒法蘭是風(fēng)電塔筒的關(guān)鍵連接件、支撐件和受力件，是風(fēng)電設(shè)備中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)配套件之一，工作條件一般比較嚴峻，所處地域環(huán)境特殊，且為焊接使用，所以要求有較好的綜合力學(xué)性能，較好的耐低溫耐腐蝕性能，良好的焊接工藝性能[2]。Q345E鋼作為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的一種，其綜合力學(xué)性能良好，有足夠的強韌性、良好的耐疲勞性能、沖壓成形性能和焊接性能，較好的耐低溫性能，是應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電法蘭最實用的材料。

大型環(huán)鍛件的成形流程為鍛造、沖孔、擴孔、輾環(huán)機上熱輾擴。這個過程中存在多火次變形，而多火次之間的溫度變化必然會導(dǎo)致材料的微觀組織發(fā)生改變，最為明顯的是材料晶粒的長大。對于重要的承重結(jié)構(gòu)件來講，材料晶粒組織的長大會嚴重降低鍛件的力學(xué)性能[3]。因此有必要研究材料在不同的加熱溫度、保溫時間條件下的晶粒長大規(guī)律，為選擇合理的鍛造溫度范圍提供理論依據(jù)。

1試驗材料與方法

試樣材料取自鍛態(tài)Q345E鋼，其化學(xué)成分如表1所示。試驗前，將其加工成10 mm×10 mm×15 mm的試樣。奧氏體晶粒長大試驗在KBF1400箱式電阻爐中進行，首先將電阻爐以10℃/s加熱到所要保溫的溫度，待溫度穩(wěn)定后將試樣放入到電阻爐中進行既定時間的保溫，之后放入冰鹽水中冷卻至室溫，以保持其高溫的組織狀態(tài)。實驗溫度分別為：1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃，保溫時間分別為20 min、40 min、60 min、80 min。試樣經(jīng)腐蝕后，用電子顯微鏡測量奧氏體晶粒尺寸并分析其變化。

表1　試樣材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2試驗結(jié)果與分析

2.1溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響

試驗所用試樣在不同溫度下的平均奧氏體晶粒尺寸變化情況如圖1所示。從圖1可以看出，隨著溫度的升高，在相同的保溫時間內(nèi)，奧氏體平均晶粒尺寸逐漸增大。在低于1 100℃階段，晶粒尺寸的長大速率最快。但是在高于1 100℃后，晶粒長大速率有下降趨勢。在低于1 100℃時，晶粒長大速度隨保溫時間的增加而增大。高于1 100℃后，晶粒長大速度受保溫時間影響不明顯。

2.2保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響

在不同保溫時間下的平均奧氏體晶粒尺寸變化情況如圖 2 所示。由曲線走勢可以得知，在本次試驗范圍內(nèi)，晶粒尺寸隨著時間的延長總體呈現(xiàn)增大的趨勢，且在加熱初期尺寸增大較快，之后變緩。在溫度為1 050℃時，隨著保溫時間的延長，奧氏體平均晶粒尺寸變化很小。溫度高于1 100℃后，奧氏體平均晶粒尺寸隨著保溫時間的增加而長大，而且溫度越高，晶粒長得越大。

圖 1　平均晶粒尺寸與保溫溫度的關(guān)系

圖 2　平均晶粒尺寸與保溫時間的關(guān)系

3奧氏體晶粒長大模型的建立

奧氏體晶粒長大的方式是晶界的遷移，晶界遷移的驅(qū)動力來源于奧氏體的晶界能。作用于晶界的驅(qū)動力F可以表示為式(1)。

(1)

可見，由界面能提供的作用于單位面積晶界的驅(qū)動力F與界面能g成正比，而與界面曲率半徑R成反比，力的方向指向曲率中心。

奧氏體晶界在驅(qū)動力F的推動下，以等速ν移動，則速度ν與驅(qū)動力F成正比，見式(2)。

(2)

(3)

積分得，

(4)

基于上式，目前比較常用的奧氏體晶粒長大模型是Sellars[5]提出的模型和Anelli提出的改進模型[6]，分別如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中，d為變化后的晶粒尺寸(μm)；d0為原始晶粒尺寸(μm)；t為保溫時間(s)；T為加熱溫度(K)；R為氣體常數(shù)；Q為晶粒長大激活能；A、n、B、m為實驗系數(shù)。

Sellars模型是在分析C-Mn鋼晶粒等溫長大數(shù)據(jù)后提出的，而Q345E鋼是一種含Mn為1.6%的鋼，因此采用Sellars模型來表征此鋼的奧氏體晶粒長大行為。由于式(5)中有A、n、Q三個未知量，不能直接用線性擬合的方式對這三個系數(shù)進行確定。本文先給定n的值，然后通過實驗獲得的數(shù)據(jù)來擬合A、Q的值和其誤差值，誤差的平方和作為n的函數(shù)，以回歸誤差平方和的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)[7]。誤差平方和y隨n的變化曲線如圖 3 所示。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)點擬合得到的誤差平方和y隨n值變化情況如式(7)所示。

y=0.73997-0.10673n+0.00505n2+0.00322n3-0.0004793n4+0.0000197744n5

(7)

圖 3　誤差平方和y與實驗系數(shù)n的關(guān)系

按式(7)對n求導(dǎo)，可得到y(tǒng)的極小值所對應(yīng)的n為4.375。n值確定后，對公式(5)取自然對數(shù)，可得式(8)：

(8)

按式(8)對1/T求偏導(dǎo)并進行線性擬合，可得：

A=3.789×1023/s

Q=504 998.46J/mol

因此，Q345E晶粒長大模型見式(9)。

(9)

4結(jié)論

(1)在一定時間內(nèi)，Q345E 鋼奧氏體晶粒尺寸在低于1 100℃階段，晶粒尺寸的長大速率最快，在高于1 100℃后，晶粒長大的速率略有下降。在相同溫度時，保溫時間越長，晶粒長大越快。

(2)在一定溫度下，Q345E鋼奧氏體晶粒尺寸隨著保溫時間的增長而逐漸長大。在低溫條件下，隨著保溫時間的延長，奧氏體平均晶粒尺寸變化很小。在高于1 100℃后，奧氏體平均晶粒尺寸隨著保溫時間的增加而長大，而且溫度越高，晶粒尺寸長得越大，故此鋼的晶粒粗化溫度為1 100℃。

參考文獻

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[4]劉宗昌，等.材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變原理.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

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[7]楊小紅，張士宏.GH4169合金等溫條件下晶粒長大數(shù)學(xué)模型的研究.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2007,26(3).

編輯李韋螢

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Study on Austenite Grain Growth Behavior for Q345E Steel

Zhang Xiuzhi, Wang Yu, Li Jia, Yang Renjie

Abstract：By taking the Q345E steel as the study object, which is the common material used for heavy wind power flange, the influence of heating temperature in the range of 1 050～1 200℃and holding time on the austenite grain growth phenomenon of Q345E steel has been studied by means of the metallographic microscope analysis. Meanwhile, the law of dynamics has been discussed. Eventually, the growth behavior of the austenite grain under high temperature has been obtained. Therefore, the dynamical model of grain growth phenomenon has been established, so as to provide the theoretical basis for the preparation of hot working processes of heavy forgings which is made of Q345E steel.

Key words：heavy ring forging; Q345E steel; grain growth; dynamical model

作者簡介：張秀芝，博士，副教授。E-mail：zhangxiuzhi@tyust.edu.cn

基金項目：太原市科技資助項目(120224)

收稿日期：2015—05—13

中圖分類號：TG115.21

文獻標(biāo)志碼：B