李宏濤 張 梅 甘 斌 鐘 勇 李 麟

(1. 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.寶鋼集團(tuán)汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室，上海 201900)

0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼的靜態(tài)再結(jié)晶行為研究

李宏濤1張 梅1甘 斌1鐘 勇2李 麟1

(1. 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.寶鋼集團(tuán)汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室，上海 201900)

在Gleeble- 3500熱/力模擬試驗機(jī)上，采用雙道次壓縮試驗研究了0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼在高溫壓縮變形后的靜態(tài)軟化行為，分析了道次停留時間、變形溫度、應(yīng)變速率以及應(yīng)變量對靜態(tài)再結(jié)晶行為的影響。并通過2%應(yīng)力補(bǔ)償法結(jié)合流變應(yīng)力曲線計算出了靜態(tài)再結(jié)晶軟化率。研究表明，在其他條件不變的情況下，再結(jié)晶軟化率隨著道次停留時間的延長、變形溫度的升高、應(yīng)變速率的增大以及變形量的增大而增大。還建立了試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型，獲得靜態(tài)再結(jié)晶激活能為188.986 kJ/mol。

含Nb微合金鋼 靜態(tài)再結(jié)晶 動力學(xué)模型 激活能

長期以來，汽車用高強(qiáng)度鋼板都是采用淬火加回火的調(diào)質(zhì)處理方法(Q & T)生產(chǎn)的。直到20世紀(jì)90年代，隨著微合金鋼冶煉技術(shù)和控軋控冷技術(shù)的發(fā)展，才出現(xiàn)了采用微合金成分，利用控軋控冷技術(shù)，以熱連軋的形式生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板[1- 3]。熱連軋生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板避免了調(diào)質(zhì)板質(zhì)量上的不足，如存在殘留奧氏體、淬火裂紋以及淬火畸變、表面質(zhì)量差等。它具有更高的平整度和尺寸精度、更均勻的性能和更好的表面質(zhì)量。并且，由于熱連軋省去了熱處理過程，具有成本低、能耗少和交貨周期短等優(yōu)點，使產(chǎn)品更具有競爭力。所以，熱連軋己經(jīng)成為近年來國內(nèi)外鋼廠生產(chǎn)薄規(guī)格(10 mm以下厚度)高強(qiáng)度鋼板的主要方式。

熱變形過程中不能完全消除奧氏體的加工硬化，造成了組織結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。因此，變形后的組織保持高溫就會因靜態(tài)軟化而發(fā)生變化。靜態(tài)軟化過程受熱加工變形量的影響，可分為三個過程[4]：靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶。靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶是變形后靜態(tài)軟化過程的主要機(jī)制，它決定著多道次熱軋過程中道次間隔時間內(nèi)的軟化過程，因此對熱變形過程中的組織變化與晶粒細(xì)化具有重要意義。

本文以含鈮微合金鋼為試驗鋼，采用雙道次壓縮方法模擬試驗鋼的軋制過程，在實驗室條件下獲得了各變形參數(shù)對試驗鋼靜態(tài)再結(jié)晶行為的影響，并通過計算分析，建立了試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程，為含鈮微合金鋼熱軋工藝的優(yōu)化提供理論參考。

1 試驗材料及方法

試驗鋼的具體化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：C 0.15，Si 0.15，Mn 2，Al 0.05，Nb 0.04，Ti 0.01，其余為Fe。將試驗鋼加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣，在Gleeble- 3500熱/力模擬試驗機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗。

采用雙道次壓縮試驗研究試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶行為。試驗工藝如圖1所示。先將試樣以10 ℃/s的速度加熱到1 200 ℃，然后保溫300 s，再以5 ℃/s的速率冷卻至不同的變形溫度，變形溫度分別為950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃。保溫10 s后進(jìn)行第一道次變形，應(yīng)變量為0.2，應(yīng)變速率為1 s-1，道次停留時間分別為1、10、50和100 s，然后進(jìn)行第二道次變形，應(yīng)變量和應(yīng)變速率與第一道次相同。為了研究不同應(yīng)變量和應(yīng)變速率對試驗鋼軟化行為的影響，在加熱方式相同的情況下，另取變形溫度1 050 ℃，對兩道次的應(yīng)變量和應(yīng)變速率分別作了調(diào)整，采取0.1和0.3的應(yīng)變量，采用0.1 s-1和10 s-1的應(yīng)變速率作為參照，以進(jìn)行不同變形條件下的雙道次壓縮試驗。壓縮后試樣立即水淬以固定組織。

靜態(tài)再結(jié)晶軟化率根據(jù)雙道次流變應(yīng)力曲線來計算，目前主要采用的有補(bǔ)償法(屈服應(yīng)力所對應(yīng)的塑性應(yīng)變分別為0.2%或2%)[5- 6]、后插法[7]等。本研究中靜態(tài)再結(jié)晶軟化率采用2%補(bǔ)償法確定，此法處理數(shù)據(jù)的人為誤差較小，計算靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)(XSRX)方法如式(1)所示。

(1)

式中:Rm為第一道次卸載時的應(yīng)力值；R1、R2分別為第一、二道次壓縮2%時對應(yīng)的屈服應(yīng)力值。

圖1 試驗鋼雙道次壓縮試驗工藝圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 變形條件對試驗鋼靜態(tài)再結(jié)晶行為的影響

靜態(tài)再結(jié)晶包括形核和長大兩個過程。研究發(fā)現(xiàn)，隨著道次停留時間的延長，靜態(tài)再結(jié)晶率逐漸增大，如圖2所示。這是因為隨著道次停留時間的延長，形核的數(shù)量不斷增加，再結(jié)晶進(jìn)行得越充分。隨著再結(jié)晶率的升高，抵消了大部分的加工硬化，因此再進(jìn)行第二道次變形時，流變應(yīng)力會逐漸降低，峰值應(yīng)力也明顯減小。

圖3為不同道次停留時間下的顯微組織，發(fā)現(xiàn)隨著道次停留時間的延長，晶粒尺寸明顯增大。這是因為隨著道次停留時間的延長，晶粒發(fā)生了粗化長大，粗大后的晶粒難以更好地抑制再結(jié)晶的發(fā)生。

同樣，由圖2可知，在其他變形條件相同的情況下，隨著變形溫度的升高，試驗鋼靜態(tài)再結(jié)晶軟化分?jǐn)?shù)增大。這是由于隨著變形溫度升高，再結(jié)晶形核的數(shù)量增大，試樣再結(jié)晶率也相應(yīng)增大，加工硬化作用逐漸減弱所致。

圖2 變形溫度和道次停留時間對靜態(tài)再結(jié)晶行為的影響

由圖4(a)可知，在其他條件相同的情況下，隨著應(yīng)變速率的增大，試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶軟化率增大。這是由于隨著應(yīng)變速率的增大，晶內(nèi)位錯密度增大，這樣就產(chǎn)生了大量的亞結(jié)構(gòu)，靜態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力隨著應(yīng)變速率的增大而增大。

圖4(b)為應(yīng)變量與試驗鋼再結(jié)晶軟化率的關(guān)系，同樣，隨著應(yīng)變量的增大，靜態(tài)再結(jié)晶軟化率隨之增大。這是由于在高的應(yīng)變量時，靜態(tài)再結(jié)晶取代了靜態(tài)回復(fù)，此時晶界的移動是消除位錯的主要方式，而不是位錯間的滑移。此外，由于第一道次壓縮結(jié)束時位錯密度增大，而應(yīng)變量越大，位錯密度越大，變形儲存能就越大，為靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生提供的驅(qū)動力就越大，從而更有利于靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生[5]。

圖3 不同道次停留時間的顯微組織(T=1 150 ℃,

a)應(yīng)變速率 b)應(yīng)變量

2.2 靜態(tài)再結(jié)晶的動力學(xué)模型

大量研究表明，鋼的奧氏體再結(jié)晶動力學(xué)通常遵循Avrami方程[6- 8]：

(2)

式中：XSRX為靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)；t0.5為靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%所需時間；n為常數(shù)。對式(2)兩端同時取對數(shù)，有：

(3)

如圖5所示，通過對950～1 150 ℃的試驗結(jié)果進(jìn)行線性回歸并平均后可以得出n=0.523。由此可獲得0.15C- 0.14Ti- 0.2Mn- 0.04Nb鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型為：

(4)

圖5 ln{ln[1/(1-XSRX)]}與ln(t/t0.5)的關(guān)系

2.3 靜態(tài)再結(jié)晶激活能

研究表明，激活能主要受材料自身因素影響，與變形條件無關(guān)[9]。試驗鋼的靜態(tài)再結(jié)晶行為受到再結(jié)晶激活能QSRX的影響，式(3)中靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%所需時間為[10]：

(5)

同理，對式(4)兩邊同時取對數(shù)，有：

(6)

(7)

3 結(jié)論

(1)變形條件對0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼的靜態(tài)再結(jié)晶行為有著顯著影響。道次停留時間越長、變形溫度越高、應(yīng)變速率和應(yīng)變量越大，均導(dǎo)致靜態(tài)再結(jié)晶軟化率增大。

(3)采用線性回歸法，建立了0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼靜態(tài)再結(jié)晶軟化率達(dá)到50%時所需時間t0.5的方程：

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收修改稿日期：2016- 03- 08

Static Recrystallization Behavior of 0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb Steel during Austenite Hot Compression

Li Hongtao1Zhang Mei1Gan Bin1Zhong Yong2Li Lin1

(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072,China;2.State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels (Baosteel Group), Shanghai 201900, China)

Using a Gleeble- 3500 thermo-mechanical simulator, static recrystallization (SRX) behavior of 0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb steel was investigated by double-pass compression tests. Effect of inter-pass time, deformation temperature, strain rate and deformation degree on the static recrystallization behavior was analyzed. The softening fraction of static recrystallization was determined using the 2% stress offset method combined with the flow stress curve. The results indicated that SRX occurred more easily under longer inter-pass time, higher deformation temperature, strain rate and deformation degree. The static recrystallization kinetic model was also established and the activation energy for static recrystallization was determined to be 188.986 kJ/mol.

Nb-microalloyed steel，static recrystallization，kinetic model，activation energy

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973)項目(No.2010CB- 630802)和國家自然科學(xué)基金項目(No.50934011和No.50971137)資助

李宏濤，男，從事汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的高溫變形特性研究，Email：htlishu@126.com，電話：15201931001

張梅，博士，高級工程師，電話：13611822313，Email: zhangmei3721@i.shu.edu.cn