0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb钢的静态再结晶行为研究

2017-09-05李宏涛

上海金属 2017年1期

李宏涛张梅甘斌钟勇李麟

(1. 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072；2.宝钢集团汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室，上海 201900)

李宏涛1张梅1甘斌1钟勇2李麟1

在Gleeble- 3500热/力模拟试验机上，采用双道次压缩试验研究了0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb钢在高温压缩变形后的静态软化行为，分析了道次停留时间、变形温度、应变速率以及应变量对静态再结晶行为的影响。并通过2%应力补偿法结合流变应力曲线计算出了静态再结晶软化率。研究表明，在其他条件不变的情况下，再结晶软化率随着道次停留时间的延长、变形温度的升高、应变速率的增大以及变形量的增大而增大。还建立了试验钢的静态再结晶动力学模型，获得静态再结晶激活能为188.986 kJ/mol。

含Nb微合金钢静态再结晶动力学模型激活能

长期以来，汽车用高强度钢板都是采用淬火加回火的调质处理方法(Q & T)生产的。直到20世纪90年代，随着微合金钢冶炼技术和控轧控冷技术的发展，才出现了采用微合金成分，利用控轧控冷技术，以热连轧的形式生产高强度钢板[1- 3]。热连轧生产的高强度钢板避免了调质板质量上的不足，如存在残留奥氏体、淬火裂纹以及淬火畸变、表面质量差等。它具有更高的平整度和尺寸精度、更均匀的性能和更好的表面质量。并且，由于热连轧省去了热处理过程，具有成本低、能耗少和交货周期短等优点，使产品更具有竞争力。所以，热连轧己经成为近年来国内外钢厂生产薄规格(10 mm以下厚度)高强度钢板的主要方式。

热变形过程中不能完全消除奥氏体的加工硬化，造成了组织结构的不稳定性。因此，变形后的组织保持高温就会因静态软化而发生变化。静态软化过程受热加工变形量的影响，可分为三个过程[4]：静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶。静态再结晶和亚动态再结晶是变形后静态软化过程的主要机制，它决定着多道次热轧过程中道次间隔时间内的软化过程，因此对热变形过程中的组织变化与晶粒细化具有重要意义。

本文以含铌微合金钢为试验钢，采用双道次压缩方法模拟试验钢的轧制过程，在实验室条件下获得了各变形参数对试验钢静态再结晶行为的影响，并通过计算分析，建立了试验钢的静态再结晶动力学方程，为含铌微合金钢热轧工艺的优化提供理论参考。

1 试验材料及方法

试验钢的具体化学成分为(质量分数，%)：C 0.15，Si 0.15，Mn 2，Al 0.05，Nb 0.04，Ti 0.01，其余为Fe。将试验钢加工成φ10 mm×15 mm的圆柱形试样，在Gleeble- 3500热/力模拟试验机上进行热压缩试验。

采用双道次压缩试验研究试验钢的静态再结晶行为。试验工艺如图1所示。先将试样以10 ℃/s的速度加热到1 200 ℃，然后保温300 s，再以5 ℃/s的速率冷却至不同的变形温度，变形温度分别为950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃。保温10 s后进行第一道次变形，应变量为0.2，应变速率为1 s-1，道次停留时间分别为1、10、50和100 s，然后进行第二道次变形，应变量和应变速率与第一道次相同。为了研究不同应变量和应变速率对试验钢软化行为的影响，在加热方式相同的情况下，另取变形温度1 050 ℃，对两道次的应变量和应变速率分别作了调整，采取0.1和0.3的应变量，采用0.1 s-1和10 s-1的应变速率作为参照，以进行不同变形条件下的双道次压缩试验。压缩后试样立即水淬以固定组织。

静态再结晶软化率根据双道次流变应力曲线来计算，目前主要采用的有补偿法(屈服应力所对应的塑性应变分别为0.2%或2%)[5- 6]、后插法[7]等。本研究中静态再结晶软化率采用2%补偿法确定，此法处理数据的人为误差较小，计算静态再结晶分数(XSRX)方法如式(1)所示。

(1)

式中:Rm为第一道次卸载时的应力值；R1、R2分别为第一、二道次压缩2%时对应的屈服应力值。

图1 试验钢双道次压缩试验工艺图

2 试验结果与讨论

2.1 变形条件对试验钢静态再结晶行为的影响

静态再结晶包括形核和长大两个过程。研究发现，随着道次停留时间的延长，静态再结晶率逐渐增大，如图2所示。这是因为随着道次停留时间的延长，形核的数量不断增加，再结晶进行得越充分。随着再结晶率的升高，抵消了大部分的加工硬化，因此再进行第二道次变形时，流变应力会逐渐降低，峰值应力也明显减小。

图3为不同道次停留时间下的显微组织，发现随着道次停留时间的延长，晶粒尺寸明显增大。这是因为随着道次停留时间的延长，晶粒发生了粗化长大，粗大后的晶粒难以更好地抑制再结晶的发生。

同样，由图2可知，在其他变形条件相同的情况下，随着变形温度的升高，试验钢静态再结晶软化分数增大。这是由于随着变形温度升高，再结晶形核的数量增大，试样再结晶率也相应增大，加工硬化作用逐渐减弱所致。

图2 变形温度和道次停留时间对静态再结晶行为的影响

由图4(a)可知，在其他条件相同的情况下，随着应变速率的增大，试验钢的静态再结晶软化率增大。这是由于随着应变速率的增大，晶内位错密度增大，这样就产生了大量的亚结构，静态再结晶的驱动力随着应变速率的增大而增大。

图4(b)为应变量与试验钢再结晶软化率的关系，同样，随着应变量的增大，静态再结晶软化率随之增大。这是由于在高的应变量时，静态再结晶取代了静态回复，此时晶界的移动是消除位错的主要方式，而不是位错间的滑移。此外，由于第一道次压缩结束时位错密度增大，而应变量越大，位错密度越大，变形储存能就越大，为静态再结晶的发生提供的驱动力就越大，从而更有利于静态再结晶的发生[5]。

图3 不同道次停留时间的显微组织(T=1 150 ℃,

a)应变速率 b)应变量

2.2 静态再结晶的动力学模型

大量研究表明，钢的奥氏体再结晶动力学通常遵循Avrami方程[6- 8]：

(2)

式中：XSRX为静态再结晶体积分数；t0.5为静态再结晶体积分数达到50%所需时间；n为常数。对式(2)两端同时取对数，有：

(3)

如图5所示，通过对950～1 150 ℃的试验结果进行线性回归并平均后可以得出n=0.523。由此可获得0.15C- 0.14Ti- 0.2Mn- 0.04Nb钢的静态再结晶动力学模型为：

(4)

图5 ln{ln[1/(1-XSRX)]}与ln(t/t0.5)的关系

2.3 静态再结晶激活能

研究表明，激活能主要受材料自身因素影响，与变形条件无关[9]。试验钢的静态再结晶行为受到再结晶激活能QSRX的影响，式(3)中静态再结晶体积分数达到50%所需时间为[10]：

(5)

同理，对式(4)两边同时取对数，有：

(6)

(7)

3 结论

(1)变形条件对0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb钢的静态再结晶行为有着显著影响。道次停留时间越长、变形温度越高、应变速率和应变量越大，均导致静态再结晶软化率增大。

(3)采用线性回归法，建立了0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb钢静态再结晶软化率达到50%时所需时间t0.5的方程：

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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

国家重点基础研究发展计划项目(973)项目(No.2010CB- 630802)和国家自然科学基金项目(No.50934011和No.50971137)资助

李宏涛，男，从事汽车用先进高强钢的高温变形特性研究，Email：htlishu@126.com，电话：15201931001

张梅，博士，高级工程师，电话：13611822313，Email: zhangmei3721@i.shu.edu.cn