Q235钢CSP轧制时动态再结晶行为研究

吴志方,张 超,宋 畅,薛珍珍,史园园,吴 润

(武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉,430081)

Q235钢CSP轧制时动态再结晶行为研究

吴志方,张 超,宋 畅,薛珍珍,史园园,吴 润

(武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉,430081)

利用 Gleeble-1500热模拟实验机研究Q235钢连铸坯CSP轧制时在高温变形过程中的动态再结晶行为。结果表明,在高变形温度和低应变速率条件下Q235钢易发生动态再结晶;在回归相应的数学模型后,建立了Q235钢的热变形方程式。对Q235钢连铸坯热变形后的组织进行分析,发现奥氏体发生动态回复后转变的铁素体组织中也有动态再结晶晶粒。

CSP工艺;动态再结晶;数学模型

自1989年世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线——CSP工艺(Compact Strip Production,亦称紧凑式热带生产工艺)在美国Nucor公司问世以来,在过去的20年中获得了迅速的发展[1-2]。目前全世界已建成投产的 CSP生产线有30余条,其产能已超过5 000万t/a,其中我国有7条CSP生产线,年生产能力已突破1 500万t,产能占热轧板材的15%。CSP工艺的最大特点是在“一火成材”条件下完成钢带和钢板的冶炼、连铸、变形和在线组织、性能控制等诸多繁杂的冶金过程。因而,CSP工艺生产钢带和钢板的组织控制与热变形间的技术关联性更强[3]。正是由于CSP工艺这样的相变特征,即使是碳素钢也应对其热变形过程进行控制轧制和冷却。Q 235钢在国产钢材中所占比例很大,涵盖的品种规格范围最多,研究其热变形规律及组织演变规律,可为薄板轧制工艺优化提供理论依据。为此,本文采用Gleeble-1500热模拟实验机,研究Q235钢的动态再结晶行为,分析其热变形后的组织特征。

1 试验

试验所用实验钢的化学成分如表1所示。将连铸坯截取加工成φ8 mm×12 mm圆柱试样,在Gleeble-1500热模拟实验机上进行单道次压缩试验,测得不同工艺条件下的真应力-真应变曲线。试验工艺为:将试样以20℃/s的加热速度升温至1 250℃,保温5 min后,以5℃/s的速度冷却至不同变形温度(分别为1 080、1 030、970、910、 850℃),保温10 s以消除试样内部的温度梯度,然后再以不同的变形速率(分别为0.1、1、5 s-1)等温变形(变形量为70%),水淬至室温,以冻结高温组织。将处理过的试样进行研磨、抛光,用4%硝酸酒精溶液腐蚀,采用Olympus PM G3显微镜对试样进行显微组织分析。

表1 实验钢的化学成分(wB/%)Table 1 Chem ical compositions of testing steel

2 结果与讨论

2.1 变形参数对实验钢动态再结晶的影响

2.1.1 变形温度

图1为实验钢在不同变形温度和变形速率下单道次压缩的真应力-真应变曲线。由图1可看出,在实验温度范围内,当变形速率为0.1 s-1时,实验钢动态再结晶进行比较完全;当变形速率为5 s-1时,变形温度为850、910℃时实验钢的真应力-真应变曲线呈动态回复型,而变形温度高于910℃时,实验钢发生了明显的动态再结晶。在变形速率一定的情况下,随着变形温度的升高,真应力-真应变曲线逐渐从动态回复型向动态再结晶型过渡。由此可见,变形温度和变形速率等工艺参数对热变形奥氏体的动态再结晶行为有明显的影响。在同一变形速率下,对应于同一应变值,变形温度越高,所对应的应力值越低,并且随着变形温度的降低,应力峰值向应变增大的方向移动。这是由于在较低温度下变形时,加工硬化率较高,回复软化进行比较困难。而变形温度越高,空位原子扩散和位错滑移及攀移的驱动力越大,因而就更易发生动态再结晶[4]。反之,空位扩散和位错滑移变得困难,再结晶难以进行,故应力峰值向应变增大的方向移动。

图1 不同变形条件下Q235钢的真应力-真应变曲线Fig.1 Ture stress-strain curves of steel Q235 under different deformation conditions

2.1.2 变形速率

在相同的变形温度条件下,当应变值一定时,变形速率越高,所对应的应力值越大(见图1)。随着应变速率的上升,应力峰值向应变增大的方向移动,这说明随着应变速率的增大,奥氏体不易发生动态再结晶。这是由于随着应变速率的增大,再结晶的驱动力增加,而加工硬化的作用随之增强,峰值应力与峰值应变均将增大[5]。在低变形温度和高应变速率时,真应力-真应变曲线呈动态回复型,随着变形温度的升高和变形速率的降低,真应力-真应变曲线从动态回复型逐渐过渡到动态再结晶型。显然随着变形温度的升高和变形速率的降低,材料易发生软化。由此可知,Q235钢发生动态再结晶的条件为:变形温度不低于970℃、应变速率不大于5 s-1。

2.2 实验钢动态再结晶模型

材料经变形发生动态再结晶的过程是由 T、ε·为变量的热激活过程所控制的,含有这些变量的热变形方程可用以下公式表示[6]:

若用变形因子 Z作参数,则式(1)可改写成:

式中:T为变形温度,K;R为气体常数,R=8.314 J/(mol·K);Qd为激活能,J/mol;n为应力指数; A为变形材料决定的常数;Qd、n为表征材料热变形特征的重要参数。

而 Z参数与峰值应力σp、开始发生动态再结晶的临界变形量εc、发生完全动态再结晶的临界变形量εs、动态再结晶百分数、动态再结晶晶粒直径以及真应力-真应变曲线形状等密切相关。

从单道次压缩试验获得的真应力-真应变曲线可得到不同变形温度和变形速率下的峰值应力,如表2所示。

表2 不同变形温度和变形速率下实验钢的峰值应力单位:MPaTable 2 Peak stressof steel Q235 at different deformed temperaturesand deformed velocities

对式(2)两边同时取对数,可得:

2.2.1 求n值

当变形温度恒定时,由lnσp对lnε·作图(见图2),用最小二乘法回归得到直线斜率 n。改变变形温度,可以得到多个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。对其求平均值后得到n=6.63。

2.2.2 求Qd值

当变形速率为常数时,由(103/T)/K-1对lnσp作图(见图3),用最小二乘法回归得到直线斜率Qd/Rn。改变变形速率,可以得到多个 Qd/ Rn值 ,如ε·=0.1、1、5 s-1时 ,其相对应的Qd/ Rn值分别为5 274.88、5 032.35、3 973.94,其对 应的Qd值分别为290 760.90、277 392.22、219 050.79。求平均值后得到Qd=262 401.30。

图2 变形速率与峰值应力的关系Fig.2 Relationship between strain rate and peak stress

图3 峰值应力与变形温度的关系Fig.3 Relationship between peak stress and deformation temperature

2.2.3 求A值

将所求的n、Qd值代入式(1),求得 A的平均值为0.001 3。

将所求的 n、Qd和 A值代入式(2),可得到Q235钢的热变形方程:

2.3 实验钢动态再结晶组织演变

图4为在不同温度下以5 s-1应变速率变形70%后水淬至室温的实验钢显微组织。图4(a)为1 030℃以5 s-1的速率变形后水淬得到的铁素体组织。在此变形条件下,真应力-真应变曲线呈现动态再结晶型。该组织特征由动态再结晶的奥氏体相变得到,即铁素体晶粒为等轴状,其晶界呈现圆弧形,且在多晶粒交界处为三叉晶界。图4(b)为910℃以5 s-1的速率变形后水淬得到的铁素体组织。从真应力-真应变曲线上看,奥氏体仅发生动态回复型,但通过金相观察表明,铁素体晶粒既有由形变奥氏体相变得到,也有由动态再结晶的奥氏体相变得到。形变奥氏体相变得到的铁素体晶粒仍然保留了其“扁平”状的形态,其晶界主要是四叉晶界,是一种不稳定的晶界。

图4 在不同温度下以5 s-1应变速率变形70%后水淬至室温的实验钢显微组织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 结论

(1)Q235钢发生动态再结晶的条件是,变形温度不低于970℃、应变速率不大于5 s-1。

(2)CSP工艺生产的Q235钢连铸坯的热模拟结果表明,实验钢的热变形真应力-真应变曲线有动态再结晶和动态回复两种,对其回归得到的动态再结晶数学模型为 Z=ε·exp(262 401.30/ RT)=0.001 3σ6.63p。

(3)对热模拟试样组织进行分析后发现,真应力-应变曲线表现为动态回复的试样组织中也有动态再结晶晶粒。

[1] 田乃媛.薄板坯连铸连轧[M].北京:冶金工业出版社,2004:3.

[2] Flemming G,Hensger K E.Present and future CSPtechnology expands p roduct range[J].A ISE Steel Technology,2000(1):53-57.

[3] 岳挺,李荣清.Q235B控轧控冷在CSP生产线的应用[J].包钢科技,2005,31(2):14-16.

[4] 魏洁,唐广波,刘正东.碳锰钢热变形行为及动态再结晶模型[J].钢铁研究学报,2008,20(3):31-35.

[5] 邢相勤,王建刚,宋振官.EH36船板钢形变奥氏体动态再结晶行为的研究[J].鞍钢技术,2006(3): 20-22.

[6] 程晓茹,李虎兴,葛懋琦,等.管线钢X65高温变形动态再结晶研究[J].金属学报,1997,33(12): 1 275-1 281.

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

[责任编辑 徐前进]

作者介绍:吴志方,女,1977年出生,1998年毕业于兰州理工大学金属材料及热处理专业,获学士学位,2002年毕业于华中科技大学材料学专业,获硕士学位,2006年毕业于华南理工大学材料加工工程专业,获博士学位。现为武汉科技大学材料与冶金学院讲师。在攻读硕士和博士学位期间,分别参与了国家自然科学基金项目“大块非晶形成体系的深过冷行为及原子短程序结构研究”和“二元不互溶体系中纳米相复合结构在外场作用下的稳定性研究”以及广东省自然科学基金项目“纳米相复合结构长大规律、稳定性及其影响因素的研究”。在武汉科技大学期间,参与了国家自然科学基金项目“钢铁连铸连轧过程中残余A s在晶界和氧化层内的聚集行为及后续电磁退火对其微观再分布的影响”以及武钢CSP多项项目。发表学术论文10余篇,其中被SCI检索1篇。主要研究方向为亚稳态材料(大块非晶合金和纳米晶材料)的稳定性及金属材料的组织、结构与性能控制等。

2010-06-24

湖北省自然科学基金资助项目(2008CDB256).

吴志方(1977-),女,武汉科技大学讲师,博士.E-mail:w uzhifang@w ust.edu.cn