F45MnVS非调质钢晶粒长大行为研究

闫新青 李俊儒 张鹏飞 刘宗强 李龙

摘要：为提高F45MnVS非调质钢的强韧性，本文以青岛特钢轧制生产的F45MnVS非调质钢棒材为实验材料，对F45MnVS非调质钢的奥氏体晶粒长大规律进行研究。通过热处理实验和显微组织观察，分析了加热温度和保温时间对F45MnVS非调质钢奥氏体晶粒尺寸变化的影响。同时，采用Arrhenius模型，建立实验钢晶粒长大模型。研究结果表明，随着加热温度的升高与保温时间的增加，实验钢晶粒尺寸随之增大。当温度在950～1 200 ℃范围时，随着温度的升高，F45MnVS非调质钢奥氏体平均晶粒尺寸逐渐增大，由25.4 μm增大至47.47 μm，且增大速率比较稳定，当温度加热至1 250 ℃时，F45MnVS非调质钢奥氏体晶粒显著粗化，平均晶粒尺寸达到了57.8 μm；随着保温时间的增加，晶粒长大速率逐渐降低，且随着加热温度的升高，晶粒长大指数明显增大。通过拟合建立的实验钢奥氏体晶粒长大数学模型，获得实验钢平均晶粒长大指数n=0.041 83，激活能Q=38 004.13 J/moL，获得实验钢晶粒长大模型计算值与实验值平均相对误差为2.64%，验证了该数学模型具有较高的精度。该研究对材料显微组织和工艺参数的制定具有一定的指导价值。

关键词：F45MnVS； 非调质钢； 晶粒长大； 数学模型

中图分类号：TG142.4； TG142.1+5 文献标识码：A

文章编号：1006-9798（2023）02-0105-06； DOI：10.13306/j.1006-9798.2023.02.015

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51701100）； 中国博士后科学基金资助项目（2020T130552）； 山东省高等学校青创人才引育计划（DC2000000891）

作者简介：闫新青（1995-），男，硕士研究生，主要研究方向为特种钢铁材料组织性能控制研究。

通信作者：李俊儒（1990-），男，讲师，主要研究方向为特种钢铁材料组织性能控制研究。Email：17806240085@163.com

非调质钢通过添加微合金化元素、控轧控冷等强韧化方法，使钢的性能达到或接近调质钢的一类微合金结构钢［1］。非调质钢在正火和锻造状态下，可获得优良的力学性能，既节省能源，又可缩短生产周期，具有节能环保、降低成本和性能优良等特点［2］，经济效益良好，主要用于生产汽车曲轴、连杆及半轴等零件［1］，应用前景十分广泛，是各国大力发展的重点钢种之一。与国外发达国家相比，我国在非调质钢的应用上相对较少，但近年来对非调质钢的开发及应用越来越重视。从组织上可将非调质钢分为3种类型，即铁素体-珠光体型、贝氏体型和马氏体型，目前应用最广泛的是铁素体-珠光体型非调质钢，如何进一步提高铁素体-珠光体型非调质钢的强韧性，是该类非调质钢的重点研究方向［3］。提高铁素体型非调质钢强韧性的手段主要是控轧控冷技术和微合金化，一方面通过控轧控冷技术，获得精细化组织及合适的组织构成，另一方面通过V、Nb、Ti等元素微合金化形成析出相，提高强度和细化晶粒［4-7］。F45MnVS是典型的铁素体-珠光体型非调质钢，主要用于汽车零件、石油开采、机械制造等行业，同时也被应用于汽车半轴制造，以替代传统的调质钢。而提高强韧性是该钢种应用于汽车半轴制造的关键。由于钢的力学性能取决于其显微组织，而晶粒大小是影响其强韧性的关键因素之一［8］。目前，国内外对非调质钢晶粒长大行为的研究较少，并且没有对F45MnVS钢种的系统性研究［9-10］。因此，本文以青岛特钢轧制生产的F45MnVS非调质钢棒材为实验材料，对F45MnVS非调质钢的奥氏体晶粒长大行为进行研究，分析实验钢在不同加热温度和不同保温时间下的晶粒长大行为，建立晶粒长大模型。研究结果表明，随着加热温度和保温时间的增加，晶粒尺寸逐渐增大，所建立的数学模型具有较高的精度。该研究为F45MnVS非调质钢热加工工艺的优化设计奠定基础。

1 实验材料和方法

本文选择的实验材料取自青岛特钢轧制生产的F45MnVS非调质钢棒材，规格为φ55 mm，F45MnVS非调质钢合金元素质量分数如表1所示，F45MnVS实验钢原始显微组织金相照片如图1所示。

图1中，基体组织为铁素体+珠光体。通过热处理实验，研究实验钢在不同加热温度和不同保温时间下的晶粒长大行为，热处理实验方案如表2所示。热处理实验均在SX-G04133箱式马弗炉中进行，试样分别在950～1 250 ℃加热并保温60 min，研究加热温度对实验钢晶粒长大行为的影响。在1 050 ℃，1 150 ℃，1 250 ℃加热温度下，分别保温15，30，60，90，120 min，研究保温时间对实验钢晶粒长大行为的影响，热处理后的各组试样水冷淬火。

为消除表面脱碳层的影响，将热处理后的各试样从中间剖开，进行抛光和腐蚀，采用过饱和苦味酸腐蚀液（4 g苦味酸、2 g海鸥洗发膏和100 mL蒸馏水）水浴腐蚀，水浴温度为60～90 ℃，腐蚀时间为2～3 min。

利用ZEISS Axioscope 5光學显微镜观察奥氏体晶粒，并采用Nano Measurer 软件，统计奥氏体晶粒尺寸，获得平均晶粒尺寸与加热温度和保温时间之间的关系曲线，通过拟合计算晶粒长大指数和激活能等参数，建立实验钢的晶粒长大数学模型。

2 实验结果与分析

2.1 加热温度对奥氏体晶粒长大行为的影响

在不同温度条件下，加热并保温60 min后，实验钢原始奥氏体晶粒形貌如图2所示。由图2可以看出，在相同保温时间下，随着加热温度的升高，平均晶粒尺寸逐渐增大。

奥氏体平均晶粒尺寸随加热温度变化曲线如图3所示。由图3可以看出，实验钢的晶粒长大规律大致可以分为2个阶段。第1阶段处于950～1 200 ℃，随着温度的升高，平均晶粒尺寸逐渐增大，且增大速率比较稳定；第2阶段是当温度超过1 200 ℃时，平均晶粒尺寸随温度升高的速度更快，晶粒明显粗化。研究表明，这与钢中含有Ti、V等微合金元素有关［11-12］。奥氏体晶粒长大行为通常与钢中的析出相密切相关，Nb、V、Ti 等微合金元素形成的各类析出相，均对钢的奥氏体晶粒长大行为有显著抑制作用，而这些析出相的固溶会导致晶粒粗化［8］。实验钢中含有Ti、V等微合金元素，当实验钢加热到1 250 ℃后，晶粒显著粗化可能与钢中的析出相固溶有关［13-15］。

2.2 保温时间对奥氏体晶粒尺寸变化的影响

在1 050，1 150，1 250 ℃的加热温度条件下，当保温时间分别为15，30，60，90，120 min时，试样在1 050 ℃加热温度下，保温不同时间的晶粒形貌如图4所示，试样在1 150 ℃加热温度下，保温不同时间的晶粒形貌如图5所示，试样在1 250 ℃加热温度下，保温不同时间的晶粒形貌如图6所示。由图4～图6可以看出，随着保温时间的延长，晶粒尺寸逐渐增大。

奥氏体平均晶粒尺寸随保温时间变化曲线如图7所示。

由图7可以看出，在相同温度下，随着保温时间的延长，不同加热温度下的奥氏体晶粒尺寸均逐渐增大，但增大速率逐渐变缓。保温时间在60 min之前，晶粒尺寸随保温时间的延长而增大，变化程度比较明显；保温时间在60 min以后，随着时间的延长，晶粒增大的速率明显减小，变化程度较小。此外，随着加热时间的延长，当加热至1 250 ℃时，晶粒长大比加热1 050 ℃和1 150 ℃时更加明显。

2.3 晶粒长大模型

钢的奥氏体晶粒长大过程是一个自发过程，通常随加热温度升高或保温时间延长而不断增大，因此采用Arrhenius模型进行描述［16-20］，其模型为

式中，D为奥氏体平均晶粒尺寸，μm；A为与材料有关的常数；n为晶粒长大指数；t为保温时间，s；Q为晶界激活能，J/moL；R为气体常数，R=8.314 J·（mol·K-1）；T为加热温度，K。

对式（1）两边分别取自然对数，得

根据式（2），当加热温度恒定时，即在等温奥氏体化过程中进行拟合，得到lnD-lnt之间的关系，实验钢等温奥氏体化过程lnD-lnt关系曲线如图8所示。由关系曲线可以得到晶粒长大指数n，该值是描述等温奥氏体化过程中晶粒长大速率的一个指标，其值越大，则晶粒长大越快。由图8可以看出，在1 050，1 150，1 250 ℃等温奥氏体化过程中，晶粒长大指数分别为0.040 35，0.042 43和0.042 72，表明随着加热温度的升高，晶粒长大指数逐渐升高，晶粒在1 250 ℃粗化，该温度下的晶粒长大指数并未发生明显变化，其平均晶粒长大指数n=0.041 83。

根据式（2），当保温时间恒定时（保温时间为1 h），拟合得到ln D-T-1之间的关系，实验钢加热过程ln D-T-1关系曲线如图9所示。图9可以看出，各点的线性拟合相关性良好，表明虽然实验鋼的平均晶粒尺寸在1 250 ℃时明显粗化，但晶界激活能Q并未发生明显变化。图9中，将ln D-T-1之间的关系曲线结合式（2），可以得到晶界激活能Q。

根据图9中拟合关系曲线，可求得在950～1 250 ℃加热温度下，晶界激活能Q=38 004.13 J/moL； A值为800.476。将A、n、Q值带入式（1），可得F45MnVS钢晶粒长大模型为

根据式（3），求得在不同加热温度与不同保温时间条件下晶粒尺寸的理论计算值，晶粒尺寸实验值与预测值相关性如图10所示。由图10可以看出，晶粒尺寸实验值与预测值具有较高的吻合度。

除此之外，为了评价所建立模型的精度，本文引入平均相对误差，即

式中，De为晶粒实际尺寸；Dp为利用建立的晶粒长大模型得到的晶粒尺寸理论计算值；N为评价模型精度时进行的测试次数，N=19。经过计算，晶粒长大模型计算值与实际值之间的平均相对误差为2.64%，表明本研究所建立的晶粒长大模型具有较高的精度。

3 结束语

本文研究了F45MnVS非调质钢的晶粒长大行为，通过热处理实验、显微组织观察及建立数学模型等方法，研究了加热温度与保温时间对奥氏体晶粒长大的影响。研究结果表明，在950～1 200 ℃加热温度下，随加热温度增加，晶粒尺寸逐渐增大，平均晶粒尺寸由25.4 μm增大至47.47 μm，平均晶粒尺寸近似呈线性增长；1 250 ℃加热时，晶粒显著粗化，平均晶粒尺寸达到57.8 μm。随着保温时间的增加，晶粒长大速率逐渐降低，且随加热温度升高，晶粒长大指数明显增大。采用Arrhenius模型建立了实验钢晶粒长大模型，计算获得实验钢平均晶粒长大指数n=0.041 83，激活能Q=38 004.13 J/mol，获得晶粒长大数学模型为D=800.476t0.041 83e-38 004.13/RT ，实验钢晶粒长大模型计算值与实验值平均相对误差为2.64%，精度较高。本文对F45MnVS非调质钢的奥氏体晶粒长大规律进行研究，所建立的实验钢晶粒长大模型对材料显微组织和工艺参数的制定具有一定的指导价值。

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Abstract：In this paper，in order to improve the strength and toughness of F45MnVS non-quenched and tempered steel，F45MnVS non-quenched and tempered steel bars produced by Qingdao Special Steel Co.，Ltd. were used as experimental materials to study the austenite grain growth behavior of F45MnVS non-quenched and tempered steel. The effect of heating temperature and holding time on austenite grain size of F45MnVS non-quenched and tempered steel was analyzed by heat treatment experiment and microstructure observation. At the same time，the Arrhenius model was used to establish the grain growth model of experimental steel. The results show that the grain size of the experimental steel increases with the increase of heating temperature and holding time. When the temperature is in the range of 950～1 200 ℃，the average austenite grain size of F45MnVS non-quenched and tempered steel gradually increases with the increase of temperature，and the increase rate is relatively stable. When the temperature is heated to 1 250 ℃，the austenite grain of F45MnVS non-quenched and tempered steel is significantly coarsened，and the grain growth rate gradually decreases with the increase of holding time，while the grain growth index significantly increases with the increase of heating temperature. The average grain growth index n=0.041 83 and activation energy Q=38 004.13 J/moL of the experimental steel are obtained by fitting the established mathematical model of austenite grain growth of the experimental steel. The average relative error between the calculated value of the experimental steel grain growth model and the experimental value is 2.64%，which verifies that the mathematical model has a high accuracy. This research has certain guiding value for the formulation of material microstructure and process parameters.

Key words：F45MnVS； non-quenched and tempered steel； grain growth； mathematical model