稀土Ce对IF钢高温变形行为的影响

李艳峰

(河钢集团承钢公司)

稀土Ce对IF钢高温变形行为的影响

李艳峰

(河钢集团承钢公司)

研究了稀土Ce对对IF钢的的高温变形行为的影响。在Gleeble-1500D热模拟试验机上将不同铈含量IF钢在真空条件下，以10 ℃/s加热到1 250 ℃，均温5 min，然后以5 ℃/s的分别冷却到1 100 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃，保温30 s，再分别以10-2s-1、1 s-1进行压缩50%，最后沿纵向切开，观察压缩后组织。结果表明：IF钢以低应应变速率变性时动态再结晶是主要的软化机制，以高应变速率压缩时动态回复是主要的软化机制；IF钢的变形抗力随稀土铈含量的增加而增大；铈对再结晶具有抑制作用。

稀土 IF钢 高温变形 显微组织

0 引言

随着全球变暖和石油资源的匮乏，节能环保型汽车越来越受到人们的欢迎。这使得具有轻质高强性能的IF钢的需求越来越大。传统的IF均采用P、Si、Mn等元素进行强化，但采用P强化时，P会在晶界偏析，导致IF钢在后续加工过程中会产生脆断；采用Si强化后又不能满足后续的热镀锌生产工艺要求；采用Mn强化后，虽然可以满足热轧镀锌工艺，但Mn过高后会对延展型产生危害。稀土元素在钢中固溶后可以通过扩散机制在晶界富集，减少杂质元素的晶界偏聚，起到固溶强化和晶界强化的作用；而且采用稀土强化还可以促进晶间断裂向延伸性断裂转变，降低韧脆转变温度。

为此，笔者以承钢生产的IF钢为研究对象，通过向钢中添加微量稀土元素Ce，观察Ce对IF钢高温变形行为的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料的制备

本试验以承钢生产的IF钢为基料，通过向IF钢基料中添加不同含量的纯度为99.98%的稀土Ce，观察Ce对IF钢性能的影响。本实验钢的冶炼过程在中频感应炉内进行，冶炼过程为：原料烘干装料抽真空原料熔化加稀土Ce搅拌、精炼浇注成钢锭，钢锭重量为7 kg，IF钢成分见表1。

表1 实验钢的化学成分 / %

其中，No.1为没有加Ce的原钢重熔，No.2和No.3分别的Ce含量分别为0.002 4%、0.004 2%。钢锭经1 200 ℃加热后，保温30 min,热锻成断面为25 mm×25 mm方坯，空冷至室温。在方坯上沿锻压方向切取Φ8×12 mm的标准压缩试样。

1.2 试验方法

高温压缩试验在Gleeble-1500D型热模拟试验机上进行，工艺过程如图1所示。

在真空条件下，以10 ℃/s的速度将试样加热到1 200 ℃，保温5 min，然后以5 ℃/s的速度分别冷却到1 100 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃，保温30 s，后分别以0.01 s-1和1 s-1的速率进行压缩，压缩量为50%，压缩后快速进行水冷。对压缩后的试样沿对称轴纵向切开，采用蔡司金相显微镜观察压缩后组织。

2 试验结果与分析

图1 IF钢热压缩工艺示意图

2.1 真应力-真应变曲线

将不同Ce含量的IF钢在800 ℃～1 100 ℃下分别以0.01 s-1和1 s-1的应变速率压缩50%，所得到的真应力-真应变曲线如图2所示。其中，(a)、(b)、(c)为应变速率为0.01 s-1时的IF钢真应力-真应变曲线，(d)、(e)、(f)为1 s-1时的IF钢真应力-真应变曲线。

(a) Ce含量为0，应变速率为10-2s-1(b) Ce含量为0.0024%，应变速率为10-2s-1(c) Ce含量为0.0042%，应变速率为10-2s-1

(d) Ce含量为0，应变速率为1s-1(e) Ce含量为0.0024%，应变速率为1s-1(f) Ce含量为0.0042%，应变速率1s-1

图2 IF钢真应力-真应变曲线

从图2可以看出，在真应变小于0.05的初始阶段，IF钢表现出较强的加工硬化特性；这主要是因为在变形开始阶段，随着真应变的增加，位错密度迅速增大，位错滑移严重受阻，使得流变应力迅速增大，即发生加工硬化。另外，在位错密度增加的同时，通过热激活使位错成对抵消、晶粒规整形成亚晶以及亚晶合并等过程也在进行，即在发生加工硬化的同时也在发生动态回复。随着真应变的增加，当应变量达到一定程度后，动态回复难以同步抵消由于应变产生的位错增加和积累，位错增加和累到一定程度后就会促发再结晶形核，即发生动态再结晶，当发生动态再结晶时，大量位错被再结晶核心的大角度界面推移而消除，应力下降，真应力-真应变曲线出现峰值。如图中(a)、(b)、(c)，这说明在以10-2s-1变形时，动态再结晶是主要的软化机制；当应变量达到一定程度后，位错消失速率与应变产生的位错增加速率相等，在真应力-真应变曲线上表现为应力值随着应变的增大而平缓增大。如图中(d)、(e)、(f)，没有明显峰值，这说明动态回复是主要的软化机制。

通过对比图2(a)、图2(d)、图2(c)可以看出，在应变速率相同时，IF钢的流变应力随Ce含量的增加而增加，1 000 ℃时，未加稀土Ce的IF钢的峰值应力为88.5 MPa，加0.002 4%Ce的IF钢的峰值应力为95.8 MPa，当稀土Ce加入量为0.004 2%时，IF钢的峰值应力达到了116.6 MPa，这主要与稀土Ce在位错上的偏聚和钉扎作用有关。随着变形温度的升高，各钢种的流变应力均下降。

2.2 稀土Ce对IF钢组织的影响

为了观察稀土Ce对IF钢组织的影响，将压缩后的试样沿对称轴纵向切开，采用蔡司金相显微镜观察切割后的组织，如图3所示。其中，(a)(b)(c)为800 ℃、0.01 s-1应变速率压缩后的组织，(d)(e)(f)为800 ℃、1 s-1速率压缩后的组织。

(a) Ce含量为0, 应变速率为0.01s-1(b) Ce含量为0.0024%，应变速率为0.01s-1(c) Ce含量为0.0042%，应变速率为0.01s-1

(d) Ce含量为0，应变速率为1s-1(e) Ce含量为0.0024%，应变速率为1s-1(f) Ce含量为0.0042%，应变速率为1s-1

图3 IF钢压缩后的组织

从两组图片的对比中可以看出0.01 s-1时的组织主要以再结晶为主，在1 s-1进行压缩时的组织主要以动态回复为主。从图3(a)、图3(b)、图3(c)的横向对比中可以看出，在相同的温度和应变速率下，图3(a)的再结晶组织明显要比图3(c)均匀，而且再结晶进行比较彻底，图3(c)中只有部分组织发生了再结晶，这主要是因为Ce在晶界的偏聚，阻止了晶界的扩散和迁移，进而对再结晶过程中的形核及晶粒的长大产生影响。以1 s-1的速率压缩时组织并未发生再结晶如图3(d)、(e)、(f)，从图3(d)中可以看出在晶界边部已经有部分小的再结晶晶粒，在图3(f)中完全没有再结晶晶粒的出现，再次说明Ce具有推迟再结晶的作用。

2.3 Ce对再结晶激活能的影响

(1)

由于Zener-Hollomon参数的形变因子Z与流变应力之间存在幂指关系，为便于测量，本试验采用峰值应力作为研究，即：

(2)

式中：A1——常数； n——应力指数； σp——峰值应力。

对式(2)取对数，取偏导则有式(3)：

(3)

当温度T为常数时，由式(3)可得式(4)：

(4)

(5)

表2 Ce对IF钢再结晶激活能的影响

由表2可以看出，随着Ce含量的增加，再结晶激活能由不加Ce的122.92KJ/mol增加到145.29KJ/mol，182.75KJ/mol增幅分别为18.19%、48.67%。这说明Ce的加入对再结晶的确有推迟作用。

3 结论

通过本次试验可以看出，随着当以0.01s-1的应变速率压缩时，IF钢的软化机制主要以动态再结晶为主；当以1s-1的应变速率压缩时，IF钢的软化机制主要以动态回复为主；稀土Ce的加入可以提高IF钢的高温强度；与未加稀土Ce的IF钢相比加0.0042%Ce的IF钢的再结晶激活能由122.92KJ/mol增加到182.75KJ/mol，增加了48.67%，说明Ce对再结晶有较好的抑制作用。

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EFFECT OF CERIUM ON BEHAVIOR OF HIGH TEMPERATURE DEFORMATION OF IF STEEL

Li Yanfeng

(Handan Iron and steel company, HeGang Iron and steel Group)

Effect of rare earth element Ce on behavior of high temperature deformation of IF steel was discussed. Different Ce content in IF steel were heated to 1 250 ℃ for 5 min with 10 ℃/s at vacuum conditions, then cooled to 1 100 ℃、1 000 ℃，900 ℃，800 ℃ for 30 s with 5 ℃/s and compressed by 50% with 10-2s-1and 1 s-1by using a Gleeble-1500D thermo-mechanical simulation machine to get the true stress-strain curves. Finally, in order to observe the compressed microstructure, compressed sample were cut apart along longitudinal. Results show that the IF steel with a low rate of deformation, the dynamic recrystallization is the main softening mechanism, at a high rate of deformation dynamic recovery is the main softening mechanism; deformation resistance of IF steel with rare earth Ce content increasing, Ce has inhibitory effect on recrystallization.

rare earth IF steel high temperature deformation microstructure

�峰，工程师，河北.承德(067102)，河钢集团承钢公司承钢板带部;

2017—1—7