FH40高强度船板钢再结晶行为研究

2021-09-09顾大庆

山东冶金 2021年4期

顾大庆，麻衡

（山东钢铁股份有限公司，山东济南271104）

1 前言

钢在奥氏体区变形过程中的组织变化规律是控轧理论的基础［1-3］。奥氏体再结晶区反复的再结晶过程可使晶粒得到明显细化；奥氏体未再结晶区的变形可得到形变奥氏体晶粒，不仅增加了奥氏体晶界的面积，还增加了位错、变形带、空位以及形变孪晶等缺陷，这些缺陷的存在增加了冷却过程中奥氏体/铁素体相变的形核位置，从而有利于铁素体的晶粒细化［4-6］。因此，奥氏体区的变形过程对钢控轧具有重要意义。

FH40高强船板钢含有Nb、Ti等微合金元素，因此在奥氏体区变形除再结晶和未再结晶两个基本过程之外，还具有如下特点［7-9］：一是在轧制过程中抑制奥氏体的再结晶，且奥氏体未再结晶区存在的范围较宽；二是在一定的条件下会发生应变诱导相变。因此，针对奥氏体区变形过程的特点，研究不同变形量及温度下FH40高强船板钢奥氏体再结晶规律，对于指导试验钢的控轧工艺具有重要意义。

2 试验材料及方法

FH40采用低碳设计，同时添加Ni、Nb、Ti等合金元素以提高钢板强度和韧性。试验钢熔炼化学成分如表1所示。

表1 FH40高强度船板钢的熔炼成分（质量分数）%

试验钢熔炼后加工成120 mm×18 mm×（8～18）mm的六阶梯型试样，以保证同一温度下进行不同变形量的轧制。各阶梯轧制的变形量依次为10%、20%、30%、40%、50%、60%，轧后厚度均为7.2 mm，在轧后的阶梯型试样的各个台阶上切取金相试样时，除变形量外，切下的金相试样具有一致的加热及轧制条件。在试样的端部加工有小圆孔用于焊接测温热电偶。试样如图1示。

图1 阶梯试样尺寸简图

将试样端部焊接镍-铬电偶并外接数显温度计，测量和控制试样的加热温度及开轧温度。试样采用箱式鲁联HX76型电阻加热炉，阶梯试样加热温度为1200℃，保温15 min，开轧温度分别为1150、1100、1050、1000、950、900、850℃。沿轧制方向可获得10%～60%的不同变形量，试样轧后立即淬水，具体试验方案如表2所示。试验在莱钢技术中心Φ750×550 mm二辊可逆式热轧机上进行。

表2 FH40高强船板钢奥氏体再结晶规律研究试验方案

7个试样经轧制后均沿台阶中心纵向切割，再切取每一个台阶，取轧制方向面预磨、抛光后腐蚀原始奥氏体晶界。腐蚀液由过饱和的苦味酸水溶液和少量洗涤剂组成，其中洗涤剂量约为过饱和苦味酸溶液中的水的1/5～1/6。将混合溶液在水浴中加热到95℃左右，然后将抛光的金相试样进行腐蚀，以显示原奥氏体晶界。在光学显微镜下观察腐蚀后的金相试样并测定奥氏体晶粒的再结晶百分数。

3 试验结果与分析

钢在热轧过程中通过不断的再结晶可显著细化奥氏体晶粒。由于完全再结晶取决于一定的温度及变形条件，所以在不同工艺参数条件下奥氏体再结晶程度不同，晶粒细化效果也有差异。试验钢不同工艺条件下组织及再结晶百分数规律如下。

3.1 金相组织形貌

图2为1150℃轧制时不同变形率所对应的金相组织。

图2 1150℃轧制时不同变形量对应的金相组织

当变形量＜30%时，尽管轧制温度较高，但再结晶百分数较低，奥氏体只能进行部分再结晶，晶粒较大变形量时粗大且均匀性差，如图2中a、b、c所示。当变形量为40%时，再结晶百分数约90%（图2d），由于变形量较大，在1150℃轧制时，奥氏体发生了完全再结晶，晶粒细小、均匀，可细至20 μm左右，如图2e与f所示。

图3为850℃低温轧制时不同变形量所对应的金相组织。低温小变形时（变形量＜30%），晶粒处于未再结晶状态（图3a、b、c）；低温大变形后，大部分晶粒仍然保持被拉长或压扁的畸变状态，没有发生再结晶，部分晶粒再结晶为等轴状，如图3中d、e、f所示。综上可知，在轧制温度低且变形量较小的情况下，试验钢组织几乎没有发生再结晶，晶粒粗大且保持畸变状态。

图3 850℃轧制时不同变形量对应的金相组织

3.2 变形量对奥氏体再结晶的影响

图4为试验钢在不同轧制温度下奥氏体再结晶百分数（Xr）与变形量（ε）的关系，由图可知，在相同的温度条件下，奥氏体再结晶百分数随着相对变形量的增加而增加。当变形温度≤900℃，奥氏体再结晶百分数Xr增加比较缓慢；变形温度≥950℃且ε≤40%时，Xr增加明显加快；而当ε≥40%时，Xr增加趋于平缓。呈现这种规律的主要原因是奥氏体再结晶百分数与晶粒内储存能，当时间一定时，再结晶百分数的多少主要取决于再结晶的形核速率和晶核的长大速率，而形核速率和长大速率均与变形量有关，变形量增加时，晶粒变形加剧，晶内缺陷增多，形核率增加；同时晶粒畸变使储存能增加，促进了再结晶的发生。

图4 不同轧制温度下奥氏体再结晶百分数（X r）与变形量（ε）的关系

3.3 变形温度对奥氏体再结晶的影响

变形温度对奥氏体再结晶百分数的影响规律如图5示。由图5可知，随着温度的升高，奥氏体再结晶百分数增加。变形量为40%、50%、60%的奥氏体再结晶百分数在1000℃之前随温度增加急剧增加，1000～1150℃增加较为平缓；当变形量低于30%时，即使在1150℃时轧制也达不到完全再结晶状态，奥氏体只发生了部分再结晶。FH40高强船板钢同普通的C—Mn钢相比，再结晶明显受到抑制，这主要受钢中Nb、Ti等合金元素影响，这些合金元素的溶质及其碳氮化物的析出抑制了奥氏体的再结晶。

图5 不同变形量下奥氏体再结晶百分数（X r）与变形温度（T）的关系

3.4 再结晶区域图

根据试验结果和以上分析作FH40高强度船板钢的再结晶区域图（见图6）。图6中以形变奥氏体的再结晶百分数＜10%和＞90%作为判别未再结晶区、部分再结晶区和完全再结晶区的界限。

图6 FH40高强度船板的形变奥氏体再结晶区域图

普通C—Mn钢在1000℃变形量为30%时即可发生完全再结晶，而试验钢在1000℃、变形量为40%时才发生完全再结晶，这主要是因为钢中的Nb、Ti等微合金元素延迟了再结晶［10-11］。钢中加入微合金元素Nb、Ti时，Nb、Ti原子的固溶阻塞及拖曳作用及其碳氮化物的动态析出，显著阻滞了形变奥氏体的再结晶。

随温度降低，再结晶速度减缓，试验钢在900℃以下轧制且变形量低于30%时，奥氏体再结晶百分数降至20%以下；当变形量高于30%时，变形促进了再结晶，降低了析出驱动力，析出过程在更低的温度才能下进行，即随着形变量增大，析出温度向低温侧移动。所以变形量大于30%时，奥氏体再结晶百分数增加比较快。850℃以下基本不发生再结晶，此时随着温度的降低，析出增多，合金元素的析出物较合金元素的溶质原子在析出之前延迟热形变奥氏体的再结晶作用更加强烈。