吳志方,張 超,宋 暢,薛珍珍,史園園,吳 潤

(武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081)

Q235鋼CSP軋制時動態(tài)再結(jié)晶行為研究

吳志方,張 超,宋 暢,薛珍珍,史園園,吳 潤

(武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081)

利用 Gleeble-1500熱模擬實驗機研究Q235鋼連鑄坯CSP軋制時在高溫變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為。結(jié)果表明,在高變形溫度和低應(yīng)變速率條件下Q235鋼易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶;在回歸相應(yīng)的數(shù)學模型后,建立了Q235鋼的熱變形方程式。對Q235鋼連鑄坯熱變形后的組織進行分析,發(fā)現(xiàn)奧氏體發(fā)生動態(tài)回復后轉(zhuǎn)變的鐵素體組織中也有動態(tài)再結(jié)晶晶粒。

CSP工藝;動態(tài)再結(jié)晶;數(shù)學模型

自1989年世界上第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線——CSP工藝(Compact Strip Production,亦稱緊湊式熱帶生產(chǎn)工藝)在美國Nucor公司問世以來,在過去的20年中獲得了迅速的發(fā)展[1-2]。目前全世界已建成投產(chǎn)的 CSP生產(chǎn)線有30余條,其產(chǎn)能已超過5 000萬t/a,其中我國有7條CSP生產(chǎn)線,年生產(chǎn)能力已突破1 500萬t,產(chǎn)能占熱軋板材的15%。CSP工藝的最大特點是在“一火成材”條件下完成鋼帶和鋼板的冶煉、連鑄、變形和在線組織、性能控制等諸多繁雜的冶金過程。因而,CSP工藝生產(chǎn)鋼帶和鋼板的組織控制與熱變形間的技術(shù)關(guān)聯(lián)性更強[3]。正是由于CSP工藝這樣的相變特征,即使是碳素鋼也應(yīng)對其熱變形過程進行控制軋制和冷卻。Q 235鋼在國產(chǎn)鋼材中所占比例很大,涵蓋的品種規(guī)格范圍最多,研究其熱變形規(guī)律及組織演變規(guī)律,可為薄板軋制工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。為此,本文采用Gleeble-1500熱模擬實驗機,研究Q235鋼的動態(tài)再結(jié)晶行為,分析其熱變形后的組織特征。

1 試驗

試驗所用實驗鋼的化學成分如表1所示。將連鑄坯截取加工成φ8 mm×12 mm圓柱試樣,在Gleeble-1500熱模擬實驗機上進行單道次壓縮試驗,測得不同工藝條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。試驗工藝為:將試樣以20℃/s的加熱速度升溫至1 250℃,保溫5 min后,以5℃/s的速度冷卻至不同變形溫度(分別為1 080、1 030、970、910、 850℃),保溫10 s以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度,然后再以不同的變形速率(分別為0.1、1、5 s-1)等溫變形(變形量為70%),水淬至室溫,以凍結(jié)高溫組織。將處理過的試樣進行研磨、拋光,用4%硝酸酒精溶液腐蝕,采用Olympus PM G3顯微鏡對試樣進行顯微組織分析。

表1 實驗鋼的化學成分(wB/%)Table 1 Chem ical compositions of testing steel

2 結(jié)果與討論

2.1 變形參數(shù)對實驗鋼動態(tài)再結(jié)晶的影響

2.1.1 變形溫度

圖1為實驗鋼在不同變形溫度和變形速率下單道次壓縮的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖1可看出,在實驗溫度范圍內(nèi),當變形速率為0.1 s-1時,實驗鋼動態(tài)再結(jié)晶進行比較完全;當變形速率為5 s-1時,變形溫度為850、910℃時實驗鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線呈動態(tài)回復型,而變形溫度高于910℃時,實驗鋼發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶。在變形速率一定的情況下,隨著變形溫度的升高,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線逐漸從動態(tài)回復型向動態(tài)再結(jié)晶型過渡。由此可見,變形溫度和變形速率等工藝參數(shù)對熱變形奧氏體的動態(tài)再結(jié)晶行為有明顯的影響。在同一變形速率下,對應(yīng)于同一應(yīng)變值,變形溫度越高,所對應(yīng)的應(yīng)力值越低,并且隨著變形溫度的降低,應(yīng)力峰值向應(yīng)變增大的方向移動。這是由于在較低溫度下變形時,加工硬化率較高,回復軟化進行比較困難。而變形溫度越高,空位原子擴散和位錯滑移及攀移的驅(qū)動力越大,因而就更易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶[4]。反之,空位擴散和位錯滑移變得困難,再結(jié)晶難以進行,故應(yīng)力峰值向應(yīng)變增大的方向移動。

圖1 不同變形條件下Q235鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 Ture stress-strain curves of steel Q235 under different deformation conditions

2.1.2 變形速率

在相同的變形溫度條件下,當應(yīng)變值一定時,變形速率越高,所對應(yīng)的應(yīng)力值越大(見圖1)。隨著應(yīng)變速率的上升,應(yīng)力峰值向應(yīng)變增大的方向移動,這說明隨著應(yīng)變速率的增大,奧氏體不易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。這是由于隨著應(yīng)變速率的增大,再結(jié)晶的驅(qū)動力增加,而加工硬化的作用隨之增強,峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變均將增大[5]。在低變形溫度和高應(yīng)變速率時,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線呈動態(tài)回復型,隨著變形溫度的升高和變形速率的降低,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線從動態(tài)回復型逐漸過渡到動態(tài)再結(jié)晶型。顯然隨著變形溫度的升高和變形速率的降低,材料易發(fā)生軟化。由此可知,Q235鋼發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的條件為:變形溫度不低于970℃、應(yīng)變速率不大于5 s-1。

2.2 實驗鋼動態(tài)再結(jié)晶模型

材料經(jīng)變形發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的過程是由 T、ε·為變量的熱激活過程所控制的,含有這些變量的熱變形方程可用以下公式表示[6]:

若用變形因子 Z作參數(shù),則式(1)可改寫成:

式中:T為變形溫度,K;R為氣體常數(shù),R=8.314 J/(mol·K);Qd為激活能,J/mol;n為應(yīng)力指數(shù); A為變形材料決定的常數(shù);Qd、n為表征材料熱變形特征的重要參數(shù)。

而 Z參數(shù)與峰值應(yīng)力σp、開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量εc、發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量εs、動態(tài)再結(jié)晶百分數(shù)、動態(tài)再結(jié)晶晶粒直徑以及真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線形狀等密切相關(guān)。

從單道次壓縮試驗獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可得到不同變形溫度和變形速率下的峰值應(yīng)力,如表2所示。

表2 不同變形溫度和變形速率下實驗鋼的峰值應(yīng)力單位:MPaTable 2 Peak stressof steel Q235 at different deformed temperaturesand deformed velocities

對式(2)兩邊同時取對數(shù),可得:

2.2.1 求n值

當變形溫度恒定時,由lnσp對lnε·作圖(見圖2),用最小二乘法回歸得到直線斜率 n。改變變形溫度,可以得到多個n值,如 T=910℃,n= 6.98;T=970 ℃,n=7.01;T=1 030 ℃,n= 6.04;T=1 080℃,n=6.50。對其求平均值后得到n=6.63。

2.2.2 求Qd值

當變形速率為常數(shù)時,由(103/T)/K-1對lnσp作圖(見圖3),用最小二乘法回歸得到直線斜率Qd/Rn。改變變形速率,可以得到多個 Qd/ Rn值 ,如ε·=0.1、1、5 s-1時 ,其相對應(yīng)的Qd/ Rn值分別為5 274.88、5 032.35、3 973.94,其對 應(yīng)的Qd值分別為290 760.90、277 392.22、219 050.79。求平均值后得到Qd=262 401.30。

圖2 變形速率與峰值應(yīng)力的關(guān)系Fig.2 Relationship between strain rate and peak stress

圖3 峰值應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak stress and deformation temperature

2.2.3 求A值

將所求的n、Qd值代入式(1),求得 A的平均值為0.001 3。

將所求的 n、Qd和 A值代入式(2),可得到Q235鋼的熱變形方程:

2.3 實驗鋼動態(tài)再結(jié)晶組織演變

圖4為在不同溫度下以5 s-1應(yīng)變速率變形70%后水淬至室溫的實驗鋼顯微組織。圖4(a)為1 030℃以5 s-1的速率變形后水淬得到的鐵素體組織。在此變形條件下,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線呈現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶型。該組織特征由動態(tài)再結(jié)晶的奧氏體相變得到,即鐵素體晶粒為等軸狀,其晶界呈現(xiàn)圓弧形,且在多晶粒交界處為三叉晶界。圖4(b)為910℃以5 s-1的速率變形后水淬得到的鐵素體組織。從真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上看,奧氏體僅發(fā)生動態(tài)回復型,但通過金相觀察表明,鐵素體晶粒既有由形變奧氏體相變得到,也有由動態(tài)再結(jié)晶的奧氏體相變得到。形變奧氏體相變得到的鐵素體晶粒仍然保留了其“扁平”狀的形態(tài),其晶界主要是四叉晶界,是一種不穩(wěn)定的晶界。

圖4 在不同溫度下以5 s-1應(yīng)變速率變形70%后水淬至室溫的實驗鋼顯微組織Fig.4 Optical m icrostructure of steel Q235 after 70% deformation at different temperatures and 5 s-1strain rates followed by water cooling to room temperature

3 結(jié)論

(1)Q235鋼發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的條件是,變形溫度不低于970℃、應(yīng)變速率不大于5 s-1。

(2)CSP工藝生產(chǎn)的Q235鋼連鑄坯的熱模擬結(jié)果表明,實驗鋼的熱變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線有動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)回復兩種,對其回歸得到的動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學模型為 Z=ε·exp(262 401.30/ RT)=0.001 3σ6.63p。

(3)對熱模擬試樣組織進行分析后發(fā)現(xiàn),真應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為動態(tài)回復的試樣組織中也有動態(tài)再結(jié)晶晶粒。

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Dynam ic recrystallization of Q235 steel in CSP strip rolling

W u Zhifang,Zhang Chao,Song Chang,Xue Zhenzhen,Shi Yuanyuan,W u Run
(College of Materials Science and M etallurgical Engineering,W uhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The dynamic recrystallization behavior of Q235 thin slab steel by CSP(compact strip p roduction)rolling was studied by Gleeble-1500 thermal simulation tester.The observation of the the dynamic recrystallization show s that the steel samp le deformed at high temperature and lower strain rate.The dynamic recrystallization model was established by using regression analysis.However,it must be noted that a large amount of the dynamic recrystallization grainswas also found in the samp le that showed dynam ic recovery in the sim ulation test.

CSP;dynamic recrystllization;mathematicalmodel

TG142.4

A

1674-3644(2010)05-0464-04

[責任編輯 徐前進]

作者介紹:吳志方,女,1977年出生,1998年畢業(yè)于蘭州理工大學金屬材料及熱處理專業(yè),獲學士學位,2002年畢業(yè)于華中科技大學材料學專業(yè),獲碩士學位,2006年畢業(yè)于華南理工大學材料加工工程專業(yè),獲博士學位。現(xiàn)為武漢科技大學材料與冶金學院講師。在攻讀碩士和博士學位期間,分別參與了國家自然科學基金項目“大塊非晶形成體系的深過冷行為及原子短程序結(jié)構(gòu)研究”和“二元不互溶體系中納米相復合結(jié)構(gòu)在外場作用下的穩(wěn)定性研究”以及廣東省自然科學基金項目“納米相復合結(jié)構(gòu)長大規(guī)律、穩(wěn)定性及其影響因素的研究”。在武漢科技大學期間,參與了國家自然科學基金項目“鋼鐵連鑄連軋過程中殘余A s在晶界和氧化層內(nèi)的聚集行為及后續(xù)電磁退火對其微觀再分布的影響”以及武鋼CSP多項項目。發(fā)表學術(shù)論文10余篇,其中被SCI檢索1篇。主要研究方向為亞穩(wěn)態(tài)材料(大塊非晶合金和納米晶材料)的穩(wěn)定性及金屬材料的組織、結(jié)構(gòu)與性能控制等。

2010-06-24

湖北省自然科學基金資助項目(2008CDB256).

吳志方(1977-),女,武漢科技大學講師,博士.E-mail:w uzhifang@w ust.edu.cn