冷变形对热轧Q345R钢板再结晶温度的影响

2022-12-16何小明敬仕煜杨华春

压力容器 2022年10期

何小明，敬仕煜，曾辉，杨华春

(1.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡 643001；2.机械工业高温高压材料与焊接重点实验室，四川自贡 643001)

0 引言

Q345R是我国目前用途最广、用量最大的锅炉及压力容器专用钢板之一，通常以热轧、控轧与正火等三种状态交货。由于热轧钢板具有效率高、成本低等优点，若无特殊要求，常作为首选材料[1]。

在钢板生产端，再结晶温度对于合理制定钢板轧制工艺具有重要意义[2]。对于冷轧钢板，其冷轧产生的变形量大，需要通过再结晶退火消除内应力、改善微观组织[3-4]，以保证钢板的强度和韧性，因此，再结晶温度研究较多。对于热轧钢板，在轧制过程中经历动态回复、动态再结晶和晶粒长大，准确估算钢的再结晶温度也至关重要。

在钢板应用端，GB/T 150.4—2011《压力容器第4部分：制造、验收和检验》及GB/T 16507.5—2013《水管锅炉第5部分：制造》均以“再结晶温度”作为冷(含温成形)、热成形的温度界限，但标准未给出材料的再结晶温度，也没有明确再结晶温度的获取方法。采用热轧Q345R钢板制造封头、筒体等承压部件时，特别是冷、温成形条件下，成形产生的变形叠加钢板自身存在的变形，奥氏体转变组织以及变形铁素体亚结构组织可能对材料的再结晶行为产生重要影响，甚至引发静态再结晶，并影响产品性能。

为研究热轧Q345R钢板在工程应用中的再结晶行为，本文参照常见的钢制封头的成形变形率[5-6]，以及成形加热温度或产品最终消除应力热处理温度，选取某钢厂热轧Q345R钢板，进行15%以下小变形量和31%，53%大变形量的冷变形，经不同温度热处理后，进行硬度检测，确定不同冷变形量下的再结晶温度。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为某钢厂热轧Q345R钢板，其厚度16 mm，化学成分见表1，力学性能见表2，金相组织见图1。

表1 Q345R钢板化学成分

表2 Q345R钢板力学性能

图1 Q345R钢板显微组织

1.2 试样处理

1.2.1 钢板变形

原始钢板变形量计为0；采用拉伸方法获得5%,10%,15%均匀变形钢板；为获得更大变形量，采用室温一次冲压方法压缩钢板，变形量分别为31%和53%。

1.2.2 试样制备

采用线切割方法将不同变形量钢板加工为15 mm×10 mm的试样，在KSL-1100箱式电阻炉中，从450～700 ℃范围内，间隔50 ℃、保温1 h试验，空冷；不同温度热处理后的试样镶嵌、研磨并抛光，经2%硝酸酒精溶液腐蚀后，观察其金相组织，随后进行硬度检测。

1.3 试验设备及方法

1.3.1 金相检测

利用Nikon EPIPHOT 300光学显微镜(OM)观察试样截面显微组织。

1.3.2 硬度检测

利用401MVD显微维氏硬度计测量试样截面上铁素体区域硬度，每个试样均匀检测10点，试验载荷4.903 N(500 gf)。

2 试验结果与讨论

2.1 维氏硬度

各变形量试样的硬度与热处理温度的关系如图2所示。

图2 各变形量试样硬度与热处理温度的关系曲线

从图2可知，变形量0,5%,10%,15%试样在450～700 ℃区间,经相同温度热处理后，随变形量增加、硬度明显提高；变形量31%,53%试样在550 ℃以下，相同温度热处理后，硬度随变形量增加而增加。同时也发现，变形量31%,53%试样硬度增长幅度相比15%以下变形试样小。其中，变形量0,5%,10%,15%试样经450～700 ℃热处理后，硬度变化趋势基本一致，即保持不变或略有降低；变形量31%试样在600 ℃以下，硬度变化不大，600～650 ℃硬度急剧下降，相对于未热处理试样硬度(HV0.5)由258下降到153，下降41%；同样，变形量53%试样在550～600 ℃硬度大幅下降。

随变形量增加，硬度提高是形变强化的结果，塑性变形量增加，位错密度增大，位错运动时的相互交割现象加剧，产生固定的位错缠结等障碍，从而增加位错运动时的阻力增强材料的变形抗力[7]，变形量继续增大将出现大量交滑移[8]，使得位错绕过障碍前行，这是变形量31%,53%试样强化效应不如15%以下试样明显的内在原因。随着温度的升高，变形晶粒首先会发生回复，能量足够时，原先被拉长的、细碎的晶粒等轴化，位错等缺陷大大减少，硬度会发生明显变化，称之为再结晶。变形量0,5%,10%,15%试样热处理后，硬度基本不变或略有下降，应是回复作用的结果。变形量31%和53%试样分别在600～650 ℃和550～600 ℃时，硬度急剧下降，根据硬度的显著变化，可以确定试验材料在这一温度范围内发生了再结晶。

为相对准确地判断材料的再结晶温度范围，对变形量31%试样补充615,630 ℃热处理，对53%变形试样补充565,580 ℃热处理，保温时间仍为1 h。图3示出了变形量为31%,53%试样的硬度与热处理温度关系曲线。可以看出，变形量31%,53%试样的再结晶温度范围分别为615～650 ℃和565～600 ℃；还可以看出，变形量越大，硬度下降的保温温度越低，材料的再结晶温度越低，这是由于变形量增大，形变储能提高，向低能量状态转化的趋势越大，需要的加热温度越低[9]。

图3 变形量31%,53%试样补充试验结果

2.2 显微组织

典型变形量试样部分热处理温度下的显微组织如图4所示。可以看出：未热处理时，与变形量15%试样(a)相比，变形量31%试样(d)晶粒变形明显，沿变形方向晶粒被压扁，而变形量为53%试样(g)晶粒变形程度更严重、变形晶粒更加细长；变形量为15%试样经650 ℃(b)和700 ℃(c)热处理后，没有明显的晶粒形核，结合硬度略微下降，可以判断发生了回复；变形量为31%试样在615 ℃热处理后(e)，显微组织中出现了少量再结晶晶粒(图中箭头所指)，且原始扁平状晶粒趋于不规则形状，可判断发生了再结晶现象；至650 ℃(f)变形晶粒基本接近等轴晶，说明在这一温度下，晶粒大量形核并长大，再结晶过程基本完成；同样，变形量53%试样在565 ℃出现再结晶，至600 ℃再结晶基本完成。

从显微组织还可以看出，变形量15%，31%和53%试样显微组织珠光体老化的开始温度分别从700，650，565 ℃依次下降，这是形变储能导致，也进一步印证了从硬度法判断的再结晶温度随着变形量的增加而降低的结论。

2.3 再结晶温度

实际上，不同材料的再结晶温度不同。同一材料的再结晶温度也不是一个确定的值，它不仅与原材料状态有关，也与冷变形量关系很大，还与变形速度、变形温度、晶粒大小、固溶强化效应、第二相等有关[10-11]。工程上，有关再结晶温度的定义也较多，如以材料软化50%的温度作为再结晶温度或大变形量下再结晶体积分数大于95%的最低温度等[12-14]。

就本次热轧Q345R钢板的试验而言，变形量31%试样在615 ℃即出现再结晶、变形量53%试样在565 ℃出现再结晶，之所以与前面的定义[10]有所不同，是因为本次试验是为了给制定温成形工艺提供依据，以不出现再结晶为目的，因而两者的再结晶体积分数或硬(强)度软化程度不同。