Q345钢的热加工性研究

张 健，赵广辉，王 顺，李玉贵，宋耀辉

(太原科技大学 太原重型机械装备协同创新中心,山西 太原 030024)

0 前言

Q345钢是现在我国目前产量最大、应用最广的一种低碳轻型微合金钢。该系列钢种主要具有相对良好的型钢综合热力学性能、耐蚀性、冷热复合加工稳定性能和型钢焊接牢固性能，加工生产工艺上一般只适用于高温热轧或正火加工状态[1-3]。广泛应用于建筑桥梁架构、船舶卸料箱体、电站安全保护设备、锅炉卸料箱体、压力容器箱体、油罐箱体、起重机械及桥架构等[4-5]。目前Q345碳钢的研究相对完善，价格较低，投入生产具有不错的收益，但其成分复杂且分布不规律，热轧复合板时其性能的不稳定性，板带材的局部裂纹缺陷性使得Q345钢无论热轧还是冷轧初始裂纹较多[6-9]，使其应用有很大的局限性。

在本文中，通过反复多次的Gleeble-3800热加工工艺模拟试验，对每组Q345试样模型进行不同的热工艺处理。根据实验结果得出真实应力应变曲线，建立Q345钢的本构方程，采用得到的真应力-应变曲线，结合数学方法，建立Q345钢的热加工图。以加工图为基础分析研究Q345钢在不同温度不同应变速率下的高温变形特点，从而确定最优的加工生产工艺。

1 试验材料与方法

实验设计的热压缩变形温度为850～1100 ℃，间隔50 ℃；变形温度压缩速率分别为0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，真应变为0.92。本次试验所用的原材料为200 mm(宽)×40 mm(厚)×长度的原始坯料，采用线切割切取直径10 mm、高度15 mm的小圆柱试样。研究中使用Q345碳钢的化学成分见表1。其中铁素体和奥氏体的初始比例分别约为57.52%和42.48%。实验中Q345试样在Gleeble-3800型热压缩模拟试验机，进行热压缩实验，试样以10℃/s的温速度加升温到1 230℃，保温4 min，均匀化组织；然后以10 ℃/s的降温速度，降到相应的变形温度，并保温120 s，然后对试样进行不同压缩率变形，热压缩结束以后，立即通过水冷方式冷却至室温。

表1 Q345的化学成分(质量分数，%)

图1 Q345热压缩试验的流程

2 热变形行为研究

2.1 真应力-真应变曲线

Q345钢在不同变形条件下的真应力-真应变曲线如图2所示。图2中温度越高应力越小，主要是因为金属材料同时受到外力形变和温度上升，使内部晶粒迅速增长发生横向滑移，反应在应力-应变曲线上为流变应力值的降低；攀移的晶粒驱使形核推动力慢慢变大，不断生长的晶粒受外部压力破碎和被压缩出现晶粒纤维化，Q345较易发生动态再软化过程。在很高的变形温度下，加工硬化和动态软化(动态回复和动态再结晶)两个过程影响着流变应力变化。

刚开始发生变形的时候(相对应变量小于0.1)，流变曲线的峰值应力随变形量的增加而迅速增大，这是因为随着变形的增加，位错增殖增加，位错密度升高，相应的位错之间的相互作用增大。位错增大的同时，加工硬化现象起主导作用，流变应力在曲线上迅速升高。验证了变形温度越高，Q345的加工硬化率越低。超过一定应变量后(相对变形量大于0.1)，流变应力值仍然在增加，但增加速率有所减缓，此时材料发生稳态塑性变形。

随着试样应变量的发生和不断增大，大量的位错发生爬升和滑移，试样开始动态回复和动态再结晶；大量的位错爬升和不断增加的滑移导致了试样动态软化；当动态回复及再结晶，产生软化作用与位错增殖产生的加工硬化作用相互抵消时，可以明显地看出Q345试样的流动应力值逐步趋于稳定；当动态回复引起的金相再结晶软化作用不足以有效抵消较位错的增加时，较高位错能为发生动态再结晶提供合适的动力条件，促进动态再结晶的发生。

图2 Q345钢在不同变形温度下的流变应力曲线

2.2 流变应力本构方程

(1)

(2)

(3)

方程(1)为幂函数型双曲正弦方程, 广泛应用于低应力水平的金属材料热变形。指数型方程(2)适用于高应力水平的金属热变形材料。Arrhenius双曲正弦方程(3)能够同时兼顾高、低应力两种情况, 适用于大部分热变形金属材料的常规热加工工艺，因此本文采用双曲线方程(3)建立Q345钢的热变形本构关系[12,13]。

(4)

式中，Z为Zener-Hollomon参数,即应变温度自动补偿值，是热加工应变速率决定因子[14-16]。

对式(1)和式(2)两边分别取对数得到[17]

(5)

(6)

图3 不同温度条件下的线性关系

(7)

(8)

对式(4)两边同时取一个对数可得

lnZ=lnA+nln[ sinh(ασ)]

(9)

将不同热变形温度下的变形速率和热变形激活能代入式(9)得到Z值。绘制lnZ-ln[sinh(∂σ)]拟合曲线如图4c所示。

图4 不同温度和应变速率条件下ln[sinh(∂σ) ]与和lnZ的线性关系

将以上所求的参数带入(3)，即得到Q345碳钢的本构方程，Q345本构方程各参数见表2。

表2 Q345碳钢的本构方程参数

(10)

2.3 Q345钢热加工图

总的输入试样的功率耗散有两个直接耗散的途径：塑性变形消耗一部分的功率，可用公式(11)的G表示，组织的塑性转变消耗一部分的功率，用公式(11)的J表示，P则指的是输入每个Q345碳钢试样的总输入功率[18-19]。由此可见若J/P的比值越大，用于试样组织进行塑性转变的输入功率越多，组织的塑性改善-回复再结晶进行的程度越高，材料的热加工性能越好。

(11)

采用塑性应变速率敏感因子m来描述外部塑性变形消耗功率和内部组织转变消耗功率之间的关系

(12)

(13)

根据Ziegler给出的耗散率公式(14),绘制失稳图。

(14)

图5 Q345碳钢的热加工图

3 结论

(1)采用Arrhenius双曲正弦方程构建Q345低合金钢热变形本构方程

exp(-267.980/RT)

(2)Q345钢在应变温度为850～975 ℃，应变速率为0.01～0.5 s-1的条件下，易发生软化；在975～1100 ℃、应变速率为0.01～0.5 s-1，动态再结晶不完全，975～1100 ℃、应变速率为1～10 s-1，耗散值较大，容易发生动态再结晶，具有良好的加工性能。