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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900)

在Gleeble- 3500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上，采用雙道次壓縮試驗(yàn)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(shí)間、變形溫度、應(yīng)變速率以及應(yīng)變量對(duì)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(jì)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(shí)間的延長(zhǎng)、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(yàn)鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型 激活能

長(zhǎng)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(diǎn)，使產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力。所以，熱連軋己經(jīng)成為近年來國(guó)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(huì)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(gè)過程[4]：靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)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(shí)間內(nèi)的軟化過程，因此對(duì)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(yàn)鋼，采用雙道次壓縮方法模擬試驗(yàn)鋼的軋制過程，在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得了各變形參數(shù)對(duì)試驗(yàn)鋼靜態(tài)再結(jié)晶行為的影響，并通過計(jì)算分析，建立了試驗(yàn)鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)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(yàn)材料及方法

試驗(yàn)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(yàn)鋼加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣，在Gleeble- 3500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)。

采用雙道次壓縮試驗(yàn)研究試驗(yàn)鋼的靜態(tài)再結(jié)晶行為。試驗(yàn)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(shí)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(duì)試驗(yàn)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(duì)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(yàn)。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(jì)算，目前主要采用的有補(bǔ)償法(屈服應(yīng)力所對(duì)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(jì)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(shí)的應(yīng)力值；R1、R2分別為第一、二道次壓縮2%時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力值。

圖1 試驗(yàn)鋼雙道次壓縮試驗(yàn)工藝圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 變形條件對(duì)試驗(yàn)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(zhǎng)大兩個(gè)過程。研究發(fā)現(xiàn)，隨著道次停留時(shí)間的延長(zhǎng)，靜態(tài)再結(jié)晶率逐漸增大，如圖2所示。這是因?yàn)殡S著道次停留時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)，流變應(yīng)力會(huì)逐漸降低，峰值應(yīng)力也明顯減小。

圖3為不同道次停留時(shí)間下的顯微組織，發(fā)現(xiàn)隨著道次停留時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒尺寸明顯增大。這是因?yàn)殡S著道次停留時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒發(fā)生了粗化長(zhǎng)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(yàn)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(shí)間對(duì)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(yàn)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(cuò)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(dòng)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(yàn)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(shí)，靜態(tài)再結(jié)晶取代了靜態(tài)回復(fù)，此時(shí)晶界的移動(dòng)是消除位錯(cuò)的主要方式，而不是位錯(cuò)間的滑移。此外，由于第一道次壓縮結(jié)束時(shí)位錯(cuò)密度增大，而應(yīng)變量越大，位錯(cuò)密度越大，變形儲(chǔ)存能就越大，為靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生提供的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)力學(xué)模型

大量研究表明，鋼的奧氏體再結(jié)晶動(dòng)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(shí)間；n為常數(shù)。對(duì)式(2)兩端同時(shí)取對(duì)數(shù)，有：

(3)

如圖5所示，通過對(duì)950～1 150 ℃的試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)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(shí)間為[10]：

(5)

同理，對(duì)式(4)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，有：

(6)

(7)

3 結(jié)論

(1)變形條件對(duì)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(shí)間越長(zhǎng)、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(shí)所需時(shí)間t0.5的方程：

[1] 王國(guó)棟. 以超快速冷卻為核心的新一代TMCP技術(shù)[J].上海金屬，2008，30(2)：2- 5.

[2] 泊勇，余偉，武會(huì)賓，等. 優(yōu)化控冷制度改善X120管線鋼的組織和性能[J]. 上海金屬，2007，29(2)：40- 43.

[3] TAN W, HAN B, WANG S Z, et al. Effects of TMCP parameters on microstructure and mechanical properties of hot rolled economical dual phase steel in CSP [J]. Journal of Iron and Steel Research，International, 2012, 19(6): 37- 41.

[4] 王有銘, 李曼云, 韋光. 鋼材的控制軋制和控制冷卻[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2009.

[5] ZHANG M, HUANG C B, ZENG W M, et al. Recrystallization Behavior of 0.11% Ti-Added Complex Phase Steel during Hot Compression[J]. Materials Science Forum, 2013,762: 128- 133.

[6] LAASRAOUI A, JONAS J J. Recrystallization of austenite after deformation at high temperatures and strain rates-Analysis and modeling[J]. Metallurgical Transactions A, 1991, 22(1):151- 160.

[7] DUTTA B, PALMIERE E J. Effect of prestrain and deformation temperature on the recrystallization behavior of steels microalloyed with niobium[J]. Metallurgical & Materials Transactions A, 2003, 34(6):1237- 1247.

[8] 高永生，田曉春. 50CrV4鋼熱軋變形抗力實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，1995，12(11)：55- 57.

[9] MEDINA S F, GOMEZ M, GOMEZ P P. Effects of V and Nb on static recrystallization of austenite and precipitate size in micro-alloyed steels [J] .Journal of Material Science, 2010, 45(20): 5533- 5557.

[10] MEDINA S F, MANCILLA J E. Static recrystallization modeling of hot deformed steels containing several alloying elements [J]. ISIJ International, 1996, 36 (8): 1070- 1076.

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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973)項(xiàng)目(No.2010CB- 630802)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(jí)工程師，電話：13611822313，Email: zhangmei3721@i.shu.edu.cn