張 健，趙廣輝，王 順，李玉貴，宋耀輝

(太原科技大學(xué) 太原重型機(jī)械裝備協(xié)同創(chuàng)新中心,山西 太原 030024)

0 前言

Q345鋼是現(xiàn)在我國(guó)目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的一種低碳輕型微合金鋼。該系列鋼種主要具有相對(duì)良好的型鋼綜合熱力學(xué)性能、耐蝕性、冷熱復(fù)合加工穩(wěn)定性能和型鋼焊接牢固性能，加工生產(chǎn)工藝上一般只適用于高溫?zé)彳埢蛘鸺庸顟B(tài)[1-3]。廣泛應(yīng)用于建筑橋梁架構(gòu)、船舶卸料箱體、電站安全保護(hù)設(shè)備、鍋爐卸料箱體、壓力容器箱體、油罐箱體、起重機(jī)械及橋架構(gòu)等[4-5]。目前Q345碳鋼的研究相對(duì)完善，價(jià)格較低，投入生產(chǎn)具有不錯(cuò)的收益，但其成分復(fù)雜且分布不規(guī)律，熱軋復(fù)合板時(shí)其性能的不穩(wěn)定性，板帶材的局部裂紋缺陷性使得Q345鋼無(wú)論熱軋還是冷軋初始裂紋較多[6-9]，使其應(yīng)用有很大的局限性。

在本文中，通過(guò)反復(fù)多次的Gleeble-3800熱加工工藝模擬試驗(yàn)，對(duì)每組Q345試樣模型進(jìn)行不同的熱工藝處理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，建立Q345鋼的本構(gòu)方程，采用得到的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)合數(shù)學(xué)方法，建立Q345鋼的熱加工圖。以加工圖為基礎(chǔ)分析研究Q345鋼在不同溫度不同應(yīng)變速率下的高溫變形特點(diǎn)，從而確定最優(yōu)的加工生產(chǎn)工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的熱壓縮變形溫度為850～1100 ℃，間隔50 ℃；變形溫度壓縮速率分別為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，真應(yīng)變?yōu)?.92。本次試驗(yàn)所用的原材料為200 mm(寬)×40 mm(厚)×長(zhǎng)度的原始坯料，采用線切割切取直徑10 mm、高度15 mm的小圓柱試樣。研究中使用Q345碳鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。其中鐵素體和奧氏體的初始比例分別約為57.52%和42.48%。實(shí)驗(yàn)中Q345試樣在Gleeble-3800型熱壓縮模擬試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣以10℃/s的溫速度加升溫到1 230℃，保溫4 min，均勻化組織；然后以10 ℃/s的降溫速度，降到相應(yīng)的變形溫度，并保溫120 s，然后對(duì)試樣進(jìn)行不同壓縮率變形，熱壓縮結(jié)束以后，立即通過(guò)水冷方式冷卻至室溫。

表1 Q345的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 Q345熱壓縮試驗(yàn)的流程

2 熱變形行為研究

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

Q345鋼在不同變形條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。圖2中溫度越高應(yīng)力越小，主要是因?yàn)榻饘俨牧贤瑫r(shí)受到外力形變和溫度上升，使內(nèi)部晶粒迅速增長(zhǎng)發(fā)生橫向滑移，反應(yīng)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上為流變應(yīng)力值的降低；攀移的晶粒驅(qū)使形核推動(dòng)力慢慢變大，不斷生長(zhǎng)的晶粒受外部壓力破碎和被壓縮出現(xiàn)晶粒纖維化，Q345較易發(fā)生動(dòng)態(tài)再軟化過(guò)程。在很高的變形溫度下，加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化(動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶)兩個(gè)過(guò)程影響著流變應(yīng)力變化。

剛開(kāi)始發(fā)生變形的時(shí)候(相對(duì)應(yīng)變量小于0.1)，流變曲線的峰值應(yīng)力隨變形量的增加而迅速增大，這是因?yàn)殡S著變形的增加，位錯(cuò)增殖增加，位錯(cuò)密度升高，相應(yīng)的位錯(cuò)之間的相互作用增大。位錯(cuò)增大的同時(shí)，加工硬化現(xiàn)象起主導(dǎo)作用，流變應(yīng)力在曲線上迅速升高。驗(yàn)證了變形溫度越高，Q345的加工硬化率越低。超過(guò)一定應(yīng)變量后(相對(duì)變形量大于0.1)，流變應(yīng)力值仍然在增加，但增加速率有所減緩，此時(shí)材料發(fā)生穩(wěn)態(tài)塑性變形。

隨著試樣應(yīng)變量的發(fā)生和不斷增大，大量的位錯(cuò)發(fā)生爬升和滑移，試樣開(kāi)始動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；大量的位錯(cuò)爬升和不斷增加的滑移導(dǎo)致了試樣動(dòng)態(tài)軟化；當(dāng)動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶，產(chǎn)生軟化作用與位錯(cuò)增殖產(chǎn)生的加工硬化作用相互抵消時(shí)，可以明顯地看出Q345試樣的流動(dòng)應(yīng)力值逐步趨于穩(wěn)定；當(dāng)動(dòng)態(tài)回復(fù)引起的金相再結(jié)晶軟化作用不足以有效抵消較位錯(cuò)的增加時(shí)，較高位錯(cuò)能為發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供合適的動(dòng)力條件，促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

圖2 Q345鋼在不同變形溫度下的流變應(yīng)力曲線

2.2 流變應(yīng)力本構(gòu)方程

(1)

(2)

(3)

方程(1)為冪函數(shù)型雙曲正弦方程, 廣泛應(yīng)用于低應(yīng)力水平的金屬材料熱變形。指數(shù)型方程(2)適用于高應(yīng)力水平的金屬熱變形材料。Arrhenius雙曲正弦方程(3)能夠同時(shí)兼顧高、低應(yīng)力兩種情況, 適用于大部分熱變形金屬材料的常規(guī)熱加工工藝，因此本文采用雙曲線方程(3)建立Q345鋼的熱變形本構(gòu)關(guān)系[12,13]。

(4)

式中，Z為Zener-Hollomon參數(shù),即應(yīng)變溫度自動(dòng)補(bǔ)償值，是熱加工應(yīng)變速率決定因子[14-16]。

對(duì)式(1)和式(2)兩邊分別取對(duì)數(shù)得到[17]

(5)

(6)

圖3 不同溫度條件下的線性關(guān)系

(7)

(8)

對(duì)式(4)兩邊同時(shí)取一個(gè)對(duì)數(shù)可得

lnZ=lnA+nln[ sinh(ασ)]

(9)

將不同熱變形溫度下的變形速率和熱變形激活能代入式(9)得到Z值。繪制lnZ-ln[sinh(?σ)]擬合曲線如圖4c所示。

圖4 不同溫度和應(yīng)變速率條件下ln[sinh(?σ) ]與和lnZ的線性關(guān)系

將以上所求的參數(shù)帶入(3)，即得到Q345碳鋼的本構(gòu)方程，Q345本構(gòu)方程各參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Q345碳鋼的本構(gòu)方程參數(shù)

(10)

2.3 Q345鋼熱加工圖

總的輸入試樣的功率耗散有兩個(gè)直接耗散的途徑：塑性變形消耗一部分的功率，可用公式(11)的G表示，組織的塑性轉(zhuǎn)變消耗一部分的功率，用公式(11)的J表示，P則指的是輸入每個(gè)Q345碳鋼試樣的總輸入功率[18-19]。由此可見(jiàn)若J/P的比值越大，用于試樣組織進(jìn)行塑性轉(zhuǎn)變的輸入功率越多，組織的塑性改善-回復(fù)再結(jié)晶進(jìn)行的程度越高，材料的熱加工性能越好。

(11)

采用塑性應(yīng)變速率敏感因子m來(lái)描述外部塑性變形消耗功率和內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變消耗功率之間的關(guān)系

(12)

(13)

根據(jù)Ziegler給出的耗散率公式(14),繪制失穩(wěn)圖。

(14)

圖5 Q345碳鋼的熱加工圖

3 結(jié)論

(1)采用Arrhenius雙曲正弦方程構(gòu)建Q345低合金鋼熱變形本構(gòu)方程

exp(-267.980/RT)

(2)Q345鋼在應(yīng)變溫度為850～975 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.5 s-1的條件下，易發(fā)生軟化；在975～1100 ℃、應(yīng)變速率為0.01～0.5 s-1，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全，975～1100 ℃、應(yīng)變速率為1～10 s-1，耗散值較大，容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，具有良好的加工性能。