黃緒傳，裴新華，薛 軍

(寶鋼股份研究院梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039)

1 引言

目前市場(chǎng)上常用的普通低碳鋼一般采用碳錳成分體系，不添加任何其他合金，制造成本低廉。因其強(qiáng)度低、硬度低，大多不經(jīng)熱處理用于工程結(jié)構(gòu)件，有的經(jīng)滲碳和其他熱處理用于要求耐磨的機(jī)械零件[1]。優(yōu)質(zhì)低碳鋼軋成薄板，可以用作制作汽車(chē)駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩等深沖制品；還可軋成棒材，用于制作強(qiáng)度要求不高的機(jī)械零件。隨著控軋控冷技術(shù)的發(fā)展，實(shí)踐證明合理的生產(chǎn)工藝控制，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化低碳鋼鐵素體晶粒而提高其綜合性能的目的。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題開(kāi)展大量的實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[2-3]研究證實(shí)：在大冷速、高應(yīng)變速率、大應(yīng)變下，稍高于Ar3溫度的形變可使鐵素體細(xì)化。同時(shí)部分學(xué)者進(jìn)一步探索了臨界奧氏體區(qū)的變形的晶粒細(xì)化機(jī)理，揭示了形變誘導(dǎo)鐵素體及鐵素體再結(jié)晶是獲得超細(xì)晶粒的關(guān)鍵[4-5]。另外，有學(xué)者通過(guò)研究認(rèn)為在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高M(jìn)n含量可以促進(jìn)鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而達(dá)到晶粒細(xì)化[6]。

本文選用了一種低碳低錳碳素鋼作為研究對(duì)象，利用Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，采用了一種連續(xù)冷卻壓縮變形及控冷相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，研究了模擬終軋溫度及軋后冷卻速度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織演變規(guī)律，研究結(jié)果以期為該類(lèi)鋼種的熱軋工藝的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及試樣

實(shí)驗(yàn)材料為一種低碳、低錳鋼，取自本鋼廠生產(chǎn)的供冷軋用的熱軋中間坯，該鋼種目前主要作為后續(xù)冷軋生產(chǎn)的原料，實(shí)驗(yàn)鋼主要成分見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)用試樣加工成φ8 mm×12 mm圓柱樣，試樣兩端面應(yīng)平行，并與軸線垂直。為保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性，試樣尺寸加工精度須控制在±0.02 mm，另外，試樣兩端面的光潔度須控制在7以上，以盡可能地減小試樣端面與壓縮砧頭之間的摩擦力。

2.2 連續(xù)冷卻壓縮實(shí)驗(yàn)工藝

實(shí)驗(yàn)在Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用連續(xù)冷卻壓縮實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定實(shí)驗(yàn)鋼的鐵素體相變溫度[7-8]，其測(cè)定原理是鋼鐵材料的不同相組織具有不同強(qiáng)度的特性[9]。利用JMatPro材料計(jì)算軟件獲得實(shí)驗(yàn)鋼A3=892 ℃、A1=722 ℃，因此將試樣加熱到1000 ℃奧氏體化，在奧氏體化溫度保溫5 min后以0.01 s-1的速率將試樣勻速壓縮70%，壓縮終了溫度設(shè)定為550 ℃，采集連續(xù)冷卻壓縮過(guò)程中的變形抗力及溫度數(shù)值。具體實(shí)驗(yàn)工藝路線見(jiàn)圖1。

2.3 熱連軋模擬實(shí)驗(yàn)工藝

參照連續(xù)冷卻壓縮實(shí)驗(yàn)工藝，熱連軋過(guò)程近似為連續(xù)冷卻壓縮與控冷工藝的結(jié)合。已有的研究資料顯示，熱軋終軋溫度以及軋后的冷卻速度對(duì)鋼材最終的組織影響明顯。因此，本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)設(shè)計(jì)了連續(xù)壓縮終了溫度以及壓縮后的冷卻速度兩個(gè)實(shí)驗(yàn)變量。具體實(shí)驗(yàn)方案是：利用Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，在氬氣環(huán)境狀態(tài)下，將試樣以10 ℃/s的速率升溫到1 200 ℃，保溫5 min后以5 ℃/s的冷速降到1 000 ℃，然后開(kāi)始以0.01 s-1的速率連續(xù)冷卻壓縮變形，總變形量為70%，壓縮終了溫度分別為880 ℃、850 ℃、830 ℃、800 ℃、750 ℃，壓縮結(jié)束后分別以5 ℃/s、40 ℃/s兩種工藝路線冷卻至600 ℃保溫15 min后空冷。具體工藝路線見(jiàn)圖2。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 連續(xù)冷卻壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3的溫度應(yīng)力關(guān)系曲線展示了0.01 s-1變形速率下連續(xù)冷卻壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，壓縮變形溫度區(qū)間為1000～550 ℃。在連續(xù)壓縮過(guò)程中，由于變形溫度的降低，壓縮變形抗力逐步增加，當(dāng)溫度達(dá)到鐵素體相變溫度Ar3時(shí)，由于鐵素體強(qiáng)度低于奧氏體，變形抗力出現(xiàn)明顯下降，當(dāng)奧氏體完全轉(zhuǎn)變結(jié)束后，變形抗力又恢復(fù)到連續(xù)增加。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示的溫度應(yīng)力關(guān)系曲線上出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以確定實(shí)驗(yàn)鋼的Ar3=835 ℃、Ar1=698 ℃。

3.2 熱連軋模擬試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1模擬終軋溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織的影響

試驗(yàn)分別以880 ℃、850 ℃、830 ℃、800 ℃、750 ℃作為模擬終軋溫度，采用了如圖2所示的5 ℃/s、40 ℃/s兩種軋后模擬冷卻工藝路線進(jìn)行了熱連軋工藝模擬。圖4(a)～圖4(e)分別出示了模擬軋后5 ℃/s冷卻條件下880～750 ℃工藝下試樣金相分析結(jié)果。

圖4所示的模擬軋后5 ℃/s冷卻條件下金相組織顯示，模擬終軋溫度在880 ℃、850 ℃、830 ℃時(shí)，獲得均勻的鐵素體的組織，模擬終軋溫度在800 ℃、750 ℃時(shí)，獲得粗細(xì)不一的混晶組織。

圖5(a)～圖5(e)分別出示了模擬軋后40 ℃/s冷卻條件下880～750 ℃工藝下試樣金相分析結(jié)果。

圖5所示的模擬軋后40 ℃/s冷卻條件下金相組織顯示，模擬終軋溫度在880 ℃、850 ℃獲得均勻的鐵素體的組織，模擬終軋溫度在830 ℃、800 ℃時(shí)獲得粗細(xì)不一的混晶組織，模擬終軋溫度在750 ℃時(shí)獲得條狀鐵素體組織。

3.2.2模擬終軋后的冷卻速度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織的影響

對(duì)照?qǐng)D4和圖5可以看出：軋后冷卻速度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織影響明顯。一方面從組織形態(tài)來(lái)看，5 ℃/s冷卻下，830 ℃及以上均獲得了均勻的組織，830 ℃以下獲得混晶組織；40 ℃/s冷卻下，850 ℃及以上均獲得了均勻的組織，850 ℃以下獲得混晶或條(帶)狀組織；另一方面從可見(jiàn)晶粒度來(lái)看，40 ℃/s冷卻下獲得的組織明顯細(xì)于5 ℃/s冷卻下獲得的組織。

4 結(jié)果討論

由于金屬材料的實(shí)際熱軋工藝過(guò)程是伴隨著冷卻和壓縮，連續(xù)冷卻壓縮(即CCC)實(shí)驗(yàn)更容易揭露奧氏體相變臨界溫度變形對(duì)Ar3溫度的影響，因此通過(guò)該方法測(cè)定的Ar3溫度理論上應(yīng)更具應(yīng)用價(jià)值。

依據(jù)熱連軋工藝特點(diǎn)，本文采用了連續(xù)冷卻壓縮實(shí)驗(yàn)方法近似模擬了熱軋精軋工藝過(guò)程，分別考察了變形終了溫度和變形后的冷卻速度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼最終組織的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)變形終了溫度在Ar3以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼均獲得均勻的組織，表明了實(shí)驗(yàn)鋼在850 ℃及以上的奧氏體變形時(shí)，奧氏體組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在隨后的冷卻過(guò)程中過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S狀鐵素體組織；當(dāng)變形終了溫度降低至Ar3溫度附近的830 ℃時(shí)，奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶被抑制，此時(shí)由于變形能的積累，會(huì)發(fā)生形變誘導(dǎo)鐵素體相變[10]，形變誘導(dǎo)鐵素體相變是一個(gè)晶粒細(xì)化的過(guò)程，溫度越低，形變誘導(dǎo)鐵素體相變?cè)饺菀装l(fā)生，最終冷卻后得到較細(xì)的鐵素體晶粒[11],但由于本文所述的實(shí)驗(yàn)變形特點(diǎn)，試樣變形是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，形變誘導(dǎo)鐵素體相變存在先后順序，因此最終極易出現(xiàn)粗細(xì)不一的晶粒組織狀態(tài)；當(dāng)變形終了溫度降至Ar3溫度以下時(shí)，由于變形終了前已存在形變誘導(dǎo)鐵素體和部分先共析鐵素體[12]，已有的鐵素體經(jīng)壓縮變形后如完成再結(jié)晶，晶粒組織將呈現(xiàn)明顯的混晶狀態(tài)，如變形后的鐵素體未完成再結(jié)晶，晶粒將呈現(xiàn)等軸與條狀的復(fù)合特征[13]。另一方面，試驗(yàn)結(jié)果顯示變形終了后的冷卻工藝對(duì)前述的三個(gè)階段的最終組織影響顯著，在變形終了溫度在Ar3以上時(shí)，對(duì)比圖4(a)、圖5(a)以及圖4(b)、圖5(b)，變形后緩冷會(huì)導(dǎo)致鐵素體晶粒長(zhǎng)大，快冷縮短了鐵素體晶粒在高溫停留時(shí)間，獲得了細(xì)小的晶粒組織；在變形終了溫度在Ar3附近時(shí)，對(duì)比圖4(c)、圖5(c)，變形后緩冷有助于形變誘導(dǎo)鐵素體的再結(jié)晶而獲得均勻組織，快冷導(dǎo)致鐵素體再結(jié)晶不充分而混晶；當(dāng)變形終了溫度在Ar3以下時(shí)，混合形變鐵素體在冷卻時(shí)完全再結(jié)晶則呈混晶狀態(tài)，未完全再結(jié)晶則出現(xiàn)如圖5(e)所示的帶狀組織特征。

5 結(jié)論

(1)采用連續(xù)壓縮冷卻(CCC)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了實(shí)驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)相變溫度，Ar3=835 ℃、Ar1=698 ℃，利用JMatPro材料計(jì)算軟件獲得實(shí)驗(yàn)鋼A3=892 ℃，A1=722 ℃；

(2)模擬終軋溫度及軋后冷卻速度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼最終組織形態(tài)影響明顯，模擬終軋溫度在Ar3以上溫度時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼獲得均勻的等軸狀組織，加快軋后冷卻速度可獲得細(xì)小的晶粒組織；當(dāng)模擬終軋溫度在Ar3溫度附近時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼會(huì)發(fā)生形變誘導(dǎo)鐵素體相變，軋后緩冷有利于組織均勻，快冷容易導(dǎo)致混晶；當(dāng)模擬終軋溫度在Ar3溫度以下時(shí)，軋后不論緩冷、快冷均獲得混晶甚至明顯的變形帶組織；

(3)從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，模擬終軋溫度在A3～Ar3，在保證變形奧氏體再結(jié)晶充分的情況下，軋后快冷可獲得細(xì)小的晶粒組織，但由于實(shí)際生產(chǎn)溫度控制的偏差，軋后采用先緩冷后快冷的工藝可達(dá)到拓寬控制窗口的目的。

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