馬 璇

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

不同預(yù)變形對Q235低碳鋼等溫相變影響的模擬

馬 璇

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

材料加工過程中的預(yù)變形,會對材料內(nèi)部的微觀組織變化產(chǎn)生影響,研究這種影響能更好地了解變形后的組織結(jié)構(gòu),并為改善材料性能提供可靠依據(jù)。以Q235低碳鋼為研究對象,建立了等溫奧氏體-鐵素體相變的二維元胞自動機(jī)模型,并結(jié)合鐵素體形核、鐵素體長大和鐵素體粗化的數(shù)學(xué)模型,模擬出了不同應(yīng)變量對等溫奧氏體-鐵素體相變的影響。模擬結(jié)果顯示,相變過程中的不同預(yù)變形會對材料內(nèi)部組織產(chǎn)生一定影響:隨著應(yīng)變量的增加,鐵素體的形核率增加,鐵素體的轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)增加,鐵素體晶粒的數(shù)量增加;同時,不斷增加的應(yīng)變量,又促使鐵素體的平均晶粒尺寸減小,從而進(jìn)一步促進(jìn)微觀組織的細(xì)化;另外,不同的預(yù)變形促使相變過程中碳濃度場的擴(kuò)散距離更短,導(dǎo)致碳濃度場軟接觸更易發(fā)生,微觀組織呈帶狀分布。

低碳鋼; 應(yīng)變; 奧氏體-鐵素體相變

0 引 言

鋼鐵材料制備加工過程中,低碳鋼發(fā)生的主要相變之一就是從高溫奧氏體向低溫鐵素體轉(zhuǎn)變。大量研究表明[1-6],在奧氏體-鐵素體相變過程中或奧氏體-鐵素體相變前的形變對相變后的鐵素體晶粒細(xì)化起到一定作用。這種微觀組織晶粒的細(xì)化現(xiàn)象,會在很大程度上改善成型后產(chǎn)品的性能。

1 奧氏體-鐵素體相變模型

1.1 鐵素體的形核模型

由奧氏體-鐵素體相變理論[7]可知,當(dāng)材料溫度低于奧氏體-鐵素體相變的開始溫度Ar3時,鐵素體就會在奧氏體相內(nèi)形核。文中建立的數(shù)學(xué)模型考慮了塑性變形對相變的影響,因此,在經(jīng)典形核理論和Umemoto等[8]模型的基礎(chǔ)上,引入形變儲能參數(shù)Edef,該參數(shù)的引入為鐵素體的形核提供了額外的驅(qū)動。鐵素體的形核率可由I表示:

式中:K1為與形核位置有關(guān)的常數(shù);K2為與奧氏體-鐵素體型界面能有關(guān)的常數(shù);Dγ為碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù);k為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;ΔG為鐵素體形核的最大驅(qū)動力。而塑性形變中的形變儲能大部分情況下都是由位錯引起的,Bengochea[9]等通過計算位錯形式積累的能量來計算形變儲能:

式中:α為常數(shù);μ為剪切模量;ρ為位錯密度;b為位錯的Burger矢量模;V為奧氏體的摩爾體積。

1.2 鐵素體長大模型

鐵素體長大的過程是通過其核心消耗周圍的奧氏體相而實現(xiàn)的。由于奧氏體是面心立方晶體點陣結(jié)構(gòu),而鐵素體為體心立方晶體點陣結(jié)構(gòu),2種不同的晶體點陣結(jié)構(gòu)導(dǎo)致碳原子在2種相中溶解度不同。因此,奧氏體-鐵素體的相變必然存在2個過程:第1個過程是奧氏體-鐵素體晶體點陣結(jié)構(gòu)變化,即奧氏體-鐵素體相界面移動;第2個過程是碳原子從鐵素體相向奧氏體相轉(zhuǎn)移,即奧氏體相內(nèi)的碳原子長程擴(kuò)散。這2個過程是同時作用于相變過程的,稱為混合控制模式[3]。相關(guān)研究表明[10-13]混合控制模式的結(jié)果更符合實際情況。

本文就是采用混合控制模式來描述鐵素體的形核和長大過程。根據(jù)相界面的熱激活能長大理論[14],奧氏體-鐵素體晶體點陣結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變速率,即奧氏體-鐵素體相界移動速率v可由下式計算得出:

v=MF

其中:M為等效相界面遷移率;F為相界面移動驅(qū)動力。等效相界面遷移率是指考慮了相界面的共格性、雜質(zhì)原子釘扎作用、溶質(zhì)的拖拽等綜合作用的等效值。其與溫度的關(guān)系可以表示為[15]

其中:M0為界面可動性系數(shù);Q為相界擴(kuò)散激活能;R為普適氣體常數(shù);T為絕對溫度。

1.3 鐵素體晶粒粗化模型

鐵素體晶粒粗化過程中,鐵素體晶粒在晶界張力的驅(qū)動作用下發(fā)生粗化,晶界的移動速率可以表示為

vb=M′Eκ

式中:M′為晶界的遷移率;Eκ為晶界移動的驅(qū)動力。

2 模擬結(jié)果與分析

模型所模擬的材料為Q235低碳鋼,其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為0.19C-0.21Si-0.75Mn(wt.%)。該材料的奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變的等溫相變溫度為760 ℃。初始模擬區(qū)域離散成300×400的規(guī)則元胞自動機(jī)網(wǎng)格,代表120 μm×160 μm的真實材料區(qū)域。初始奧氏體晶粒形貌采用正常的元胞自動機(jī)晶粒長大模型計算得到。初始晶粒的取向與再結(jié)晶晶粒的取向取值為0～180的隨機(jī)整數(shù)。

在相變過程組織演變的模擬結(jié)果中,白色區(qū)域代表奧氏體相區(qū),灰色區(qū)域為鐵素體相區(qū),不同程度的灰色表示鐵素體晶粒取向不同;黑色曲線代表奧氏體晶界。

從圖1～圖3中可以看出,等溫相變時,鐵素體在奧氏體晶界處形核,并隨著時間的推移,沿著奧氏體晶界和向奧氏體晶粒內(nèi)部長大。在碳濃度場分布演變的模擬結(jié)果中,富碳區(qū)為奧氏體相,貧碳區(qū)為鐵素體相。

圖1 無預(yù)變形情況下,奧氏體鐵素體相變微觀組織演變(a)與碳濃度場(b)變化情況

圖2 預(yù)變形ε=0.5下,奧氏體鐵素體相變微觀組織演變(a)與碳濃度場(b)變化情況

奧氏體等溫分解過程中,碳原子不斷從新生成的鐵素體相中析出,這些析出的碳原子在奧氏體-鐵素體相界面的奧氏體相一側(cè)聚集,導(dǎo)致奧氏體相一側(cè)的碳濃度升高,這樣,在奧氏體-鐵素體相界面周圍建立起碳濃度梯度。碳濃度梯度的形成為碳原子的擴(kuò)散提供了驅(qū)動力,促使相界面處奧氏體一側(cè)的碳原子向奧氏體內(nèi)部擴(kuò)散,這些碳原子使奧氏體內(nèi)部的碳濃度升高。隨著相變的進(jìn)行,鐵素體晶粒周圍碳原子濃度場相互疊加(即軟接觸),隨后碳濃度梯度會逐漸減小,當(dāng)界面處碳濃度達(dá)到平衡值,鐵素體晶粒生長即停止。

圖3 預(yù)變形ε=1.0下,奧氏體鐵素體相變微觀組織演變(a)與碳濃度場(b)變化情況

同時,能夠看出,應(yīng)變量越大,發(fā)生相變后的微觀組織帶狀分布越明顯。這是因為碳原子沿奧氏體晶界的擴(kuò)散系數(shù)和奧氏體-鐵素體界面遷移率均比其在奧氏體內(nèi)部的數(shù)值大,鐵素體晶核的長大速度比起在奧氏體內(nèi)部的長大速度快很多,從而導(dǎo)致奧氏體晶界上的鐵素體晶粒周圍的碳濃度減小的速率比奧氏體晶粒內(nèi)部碳濃度減小的速率快。

1) 應(yīng)變對鐵素體晶粒尺寸的影響

圖4 不同預(yù)變形ε0對鐵素體晶粒尺寸的影響Fig.4 Variations of the average ferrite grain size under different pre-strains ε0

圖4為應(yīng)變量ε0分別為0、0.3、0.5、0.7和1.0時,鐵素體平均晶粒尺寸的變化情況。由圖可知:相同時間內(nèi),應(yīng)變量越大,鐵素體平均晶粒尺寸越小,即晶粒細(xì)化程度越高。這是因為在變形過程中,隨著應(yīng)變量的增加,奧氏體相內(nèi)部產(chǎn)生了大量的能量積累,這些能量可能是形變功以位錯的形式存在于奧氏體相內(nèi)部,為鐵素體形核提供了更多的位置,在單位體積內(nèi),鐵素體平均晶粒尺寸必然減小。

圖5 不同預(yù)變形ε0對鐵素體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Evolution of the ferrite fraction under different pre-strains ε0

2) 應(yīng)變對鐵素體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的影響

圖5為應(yīng)變量ε0分別為0、0.3、0.5、0.7和1.0時鐵素體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果。由圖可知,在小于80 s的相同時間內(nèi),應(yīng)變量越大,鐵素體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)越多,這實際是鐵素體形核數(shù)目增加的結(jié)果。形核數(shù)目的增加決定了鐵素體形成的核心位置增加,促進(jìn)鐵素體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的增加。同時可以看出,當(dāng)時間大于80 s時,不同的應(yīng)變對鐵素體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的影響就不明顯了。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,當(dāng)應(yīng)變積累到一定程度后,奧氏體相內(nèi)的能量不再繼續(xù)變化,就不會有新的鐵素體核心形成,不會影響鐵素體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)。

3 結(jié) 論

不同的應(yīng)變量對相變組織產(chǎn)生的影響主要有以下幾方面:

1) 隨著應(yīng)變量的增加,鐵素體晶粒除了優(yōu)先在奧氏體晶界形核外,在奧氏體相內(nèi)部也產(chǎn)生了少量的鐵素體晶核,增加了形核率,使晶粒細(xì)化更加明顯。

2) 變形拉長了初始奧氏體晶粒,為鐵素體形核提供了更多的可能位置。

3) 隨著應(yīng)變量的增加,變形方向上晶粒間距離減小,相變過程中碳濃度場的擴(kuò)散距離更短,導(dǎo)致碳濃度場軟接觸更易發(fā)生,微觀組織呈帶狀分布。

4) 大的應(yīng)變量促使鐵素體的平均晶粒尺寸減小,鐵素體的轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)增加,鐵素體晶粒的數(shù)量增加。

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The simulation of different strain on Q235 low carbon steel isothermal transformation

MAXuan

(College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

It can provide reliable basis to understand the deformation of the organization and improve materials properties by researching the austenite-ferrite transformation. This paper established the two-dimensional cellular automata model of the austenite-ferrite transformation with Q235 low carbon steel, and it simulated the influence on different strain by combining the ferrite grain nucleation, growth and coarsening. It shows that different predeformation can have an effect on the internal tissue of the material in the phase transition process. The ferrite nucleation rate and the conversion fraction of ferrite will increase with the change of the strain. As the increase of the variable the ferrite grain is becoming more and morethe. At the same time, the increasing dependent variable can reduce the average grain size of ferrite. So it can promote the microstructure refinement. On the other hand, it is short that the diffusion distance of carbon concentration field in the process of phase transition. So it is easier to lead to the soft contact of carbon concentration field. And the microstructure is in zonal distribution.

low carbon steel; strain; austenite-ferrite transformation

2017-03-12。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51371169)。

馬 璇(1978-),女,遼寧錦州人,沈陽師范大學(xué)講師,碩士。

1673-5862(2017)03-0286-05

TG111

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.03.005