劉占龍 余馳斌 葉傳龍 黃儒勝 黃進(jìn)科

（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081）

Hi-B鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的研究及動(dòng)態(tài)回復(fù)模型的建立

劉占龍 余馳斌 葉傳龍 黃儒勝 黃進(jìn)科

（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081）

采用單道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)在Gleeble-1500熱力模擬機(jī)上研究了不同變形速率和變形溫度下Hi-B鋼的軟化行為。結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼在較低應(yīng)變速率下，主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)作為軟化機(jī)制，在較高應(yīng)變速率下，主要以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作為軟化機(jī)制。采用回歸法計(jì)算出動(dòng)態(tài)回復(fù)的變形激活能和應(yīng)變指數(shù)分別為287.12 kJ／mol和4.88，由此建立了試驗(yàn)鋼在低應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)回復(fù)模型。

Hi-B鋼 動(dòng)態(tài)回復(fù) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線

取向硅鋼是硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%左右并且晶粒的易磁化方向平行于軋向的電工鋼，具有優(yōu)良的磁性能和較低的鐵損，是電力、電器和軍事工業(yè)必需的重要軟磁材料。一般來(lái)說(shuō)，熱軋過(guò)程使得組織形態(tài)（包括顯微組織、晶粒取向分布）發(fā)生一定的改變，而硅鋼的最終織構(gòu)和平均晶粒尺寸主要影響磁感和鐵損。因此要選用合適的熱軋工藝來(lái)獲得更有利的織構(gòu)和大小合適的晶粒，從而提高硅鋼磁感和降低鐵損［1-5］。而研究動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的規(guī)律對(duì)于控制熱軋時(shí)的組織和性能具有重要意義。本文對(duì)Hi-B鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行研究并建立了動(dòng)態(tài)回復(fù)模型，這對(duì)于取向硅鋼研究的后續(xù)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為實(shí)驗(yàn)室冶煉的Hi-B鋼，其化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）0.085C、3.09Si、0.20Cu、0.11Al、0.037Mn、0.040S、0.020P，其余為鐵。采用Cu2S作為抑制劑在25 kg真空感應(yīng)電爐冶煉鋼水，并將鋼水注入尺寸200 mm×85 mm×40 mm的鑄模中。將鑄坯放入980℃加熱爐內(nèi)，加熱至1 200℃并保溫30 min；開(kāi)軋溫度為1 150～1 200℃，終軋溫度為900～950℃，壓下率為93.75%。切取熱軋樣品，尺寸為150 mm×25 mm，再機(jī)加工成φ8 mm×12 mm的圓柱形熱模擬試樣。

先將試樣以10℃／s的速度加熱到1 300℃，保溫5 min，使其均勻化后以5℃／s降溫到不同變形溫度（950、1 050、1 100、1 150℃），并以不同的變形速率（0.1、1、5、10、20 s－1）進(jìn)行70%總變形量的單道次熱壓縮試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力－應(yīng)變曲線。然后采用淬火的方法以保持相變前的組織，最后對(duì)淬火試樣進(jìn)行切割、打磨和拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1為試樣在某一變形溫度（950、1 050、1 100、1 150℃）、不同變形速率（0.1、1、5、10、20 s－1）時(shí)的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線。由于Hi-B鋼原始晶粒主要成分為粗大的鐵素體，所以高溫變形過(guò)程具有其自身的特點(diǎn)。由圖1可知，應(yīng)變速率為0.1、1 s－1時(shí)，熱變形過(guò)程中金屬主要以位錯(cuò)的交滑移和攀移軟化機(jī)制為主。當(dāng)應(yīng)變速率為5、10、20 s－1時(shí)，曲線上出現(xiàn)明顯的單峰或多峰，這是材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯著特征。其主要原因是隨著應(yīng)變速率的增大，位錯(cuò)不斷迅速積累，位錯(cuò)能迅速增高，交滑移和攀移軟化機(jī)制不能全部抵消熱變形過(guò)程中位錯(cuò)的積累，當(dāng)積累的能量達(dá)到某一臨界值時(shí)，激發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

在同一變形溫度下，隨著變形速率（5、10、20 s－1）的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力變大，且向應(yīng)變?cè)龃蟮姆较蛞苿?dòng)，與此同時(shí)由多峰逐漸變?yōu)閱畏?，這說(shuō)明隨著變形速率的增加，試驗(yàn)鋼的軟化機(jī)制主要是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。其原因是在熱變形過(guò)程中伴隨著位錯(cuò)密度不斷增加，同時(shí)位錯(cuò)通過(guò)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不斷得到消除。變形速率的增加，導(dǎo)致位錯(cuò)密度快速增加，但是軟化機(jī)制消耗位錯(cuò)的速度不及位錯(cuò)增加的速度，所以應(yīng)力值迅速增大，表現(xiàn)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上峰值點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變值都增加。

圖1不同變形溫度和不同變形速率下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Stress-strain curves of the specimens deformed at different deformation temperatures and strain rates

應(yīng)變速率較低時(shí)（如0.1、1 s－1），主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)作為軟化機(jī)制。隨著溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)速度加快，位錯(cuò)被動(dòng)態(tài)回復(fù)迅速消耗，表現(xiàn)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力臨界值下降。應(yīng)變速率為5、10 s－1時(shí)，出現(xiàn)波浪式應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖形，并且低應(yīng)變速率曲線波浪周期較小，即為間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖形。隨著溫度的升高，臨界應(yīng)變量逐漸減小。主要原因是再結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)熱激活能擴(kuò)散的過(guò)程，變形溫度升高，形變位錯(cuò)積累減少，形變儲(chǔ)存能減少，原子擴(kuò)散越快，再結(jié)晶形核增加，越容易發(fā)生再結(jié)晶。應(yīng)變速率為20 s－1時(shí)，出現(xiàn)單峰應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖形，發(fā)生連續(xù)性的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形溫度越高，臨界應(yīng)變量越小，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力越小［6-7］。

結(jié)合圖2的組織圖可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變速率較小時(shí)，在顯微組織中可以觀察到原始鐵素體因變形被拉長(zhǎng)，原始鐵素體晶內(nèi)有因回復(fù)產(chǎn)生的亞晶出現(xiàn)。隨著應(yīng)變速率的增大，原始晶界變得模糊并且鐵素體晶粒逐漸增多并長(zhǎng)大，新晶粒晶界呈凹凸?fàn)?，大角度晶界較多。這是因?yàn)樵谙嗤淖冃螠囟认?，?yīng)變速率越大，位錯(cuò)密度越大，畸變能迅速增加，變形過(guò)程產(chǎn)生的亞晶就會(huì)不斷吸收周圍的位錯(cuò)能，快速長(zhǎng)大、遷移，由小角度晶界轉(zhuǎn)變成大角度晶界。

圖2 變形溫度1 100℃、不同變形速率下試樣的顯微組織Fig.2 Microstructures of the specimens deformed at1 100℃and at different deformation strain rates

2.2 動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶應(yīng)力指數(shù)及熱變形激活能

一般用Z參數(shù)［8-9］表示變形溫度和變形速率對(duì)動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響：

Jonas和Uvira等所做的研究確定α值為0.012 MPa－1較為合理［10］。一般的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力難以精確測(cè)定，所以這里用峰值應(yīng)力σp代替穩(wěn)態(tài)應(yīng)力σs，則有：

將公式（2）兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)得：

同理，當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，將n值代入公式（3）可得1 000／（RT）和n ln［sinh（ασp）］的關(guān)系圖，進(jìn)而線性回歸出平均斜率，計(jì)算得出Qdef＝233.62 kJ／mol（見(jiàn)圖4）。

同理，可以求得主要發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程的n′＝4.88（見(jiàn)圖5）及Q′def＝287.12 kJ／mol（見(jiàn)圖6）。

圖3 ln與ln［sinh（ασp）］的關(guān)系Fig.3 Dependence of lnon ln［sinh（ασp）］

圖4 1 000／（RT）與n ln［sinh（ασp）］的關(guān)系Fig.4 Dependence of 1 000／（RT）on ln［sinh（ασp）］

圖5 ln與ln［sinh（ασp）］的關(guān)系圖Fig.5 Dependence of lon ln［sinh（ασp）］

圖6 1 000／（RT）與n′ln［sinh（ασp）］的關(guān)系Fig.6 Dependence of 1 000／（RT）on ln［sinh（ασp）］

2.3 動(dòng)態(tài)回復(fù)模型的確定

試驗(yàn)鋼在動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程的熱激活能數(shù)值與Whittaker等在800～1 100℃熱扭曲實(shí)驗(yàn)3%Si鋼得出的熱激活能值290 kJ／mol保持一致［11］。試驗(yàn)鋼的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力表達(dá)式如式（4）所示：

在不同的應(yīng)變速率（0.1、1 s－1）、不同變形溫度（950、1 050、1 100、1 150℃）下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上取數(shù)組相應(yīng)的應(yīng)力穩(wěn)態(tài)值σs，并由公式Z＝計(jì)算出相應(yīng)溫度和應(yīng)變率的ln Z值，以ln Z為橫坐標(biāo)、lnσs為縱坐標(biāo)作圖，如圖7所示，其斜率即為bs的值，利用最小二乘法回歸可以得到As＝0.204，bs＝0.196；可得式（5）：

統(tǒng)計(jì)多組應(yīng)力應(yīng)變曲線上的流變初應(yīng)力（σ0）與穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力（σs）比值的平均值約為0.1，即：

因此應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系σ＝σ0＋（σs－σ0）·［1－可用式（7）表示：

式中，εr為 應(yīng)力-應(yīng)變曲線上穩(wěn)態(tài)應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。εr與存在線性關(guān)系，用式（8）表示：

對(duì)式（8）進(jìn)行線性回歸，如圖8所示，可得A＝0.08，B＝7.81×10－5。

由式（5）、（7）和（8）可得應(yīng)力應(yīng)變模型：

圖7 ln z與lnσs的關(guān)系圖Fig.7 Dependence of ln z on lnσs

圖8與εr的關(guān)系圖Fig.8 Dependence ofonεr

3 結(jié)論

（1）通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及顯微組織圖可以確定，試驗(yàn)鋼在低應(yīng)變速率下主要以位錯(cuò)的交滑移和攀移軟化機(jī)制為主，在較高速率下主要以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)制為主。

（2）通過(guò)回歸的方法分別確定試驗(yàn)鋼在950～1 150℃范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)力指數(shù)與變形激活能，即n′＝4.88，Q′def＝287.12 kJ／mol；n＝3.31，Qdef＝233.62 kJ／mol。

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收修改稿日期：2015-09-08

Dynam ic Recrystallization and Establishing of Its Dynam ic Recovery Model for Hi-B Steel

Liu Zhanlong Yu Chibin Ye Chuanlong Huang Rusheng Huang Jinke
（Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei430081，China）

The softening behavior of Hi-B steel under different deformation rates and deformation temperatureswere investigated by a single-pass hot compression experiments in Gleeble-1500 thermal simulation machine.The results showed that for the investigated steel，its softening was mainly attributed to dynamic recovery at low strain rate，and to dynamic recrystallization at higher strain rate.Regressionmethod was used to calculate the dynamic response of activation energy and the strain index，which were 287.12 kJ／mol and 4.88 respectively，thereby establishing the dynamic recrystallization model of the investigated steel at low strain rate.

Hi-B steel，dynamic recovery，dynamic recrystallization，stress-strain curve

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51274155）

劉占龍，男，從事鋼鐵材料組織與性能控制方面的研究，Email：673153753＠qq.com

余馳斌，女，教授，電話：13628680126